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Departamento de Ciencias y Tecnología Subsector: Química Profesor: Carlos Donoso E. Nivel: Primer año Medio Año: MMXIII

Guía de Apoyo nº2: Introducción a la teoría atómica moderna

Introducción: Los griegos y el átomo. En la búsqueda de una explicación sobre la constitución de la materia, los griegos desarrollaron varias ideas, entre las cuales destacan las planteadas por Aristóteles, Leucipo y Demócrito. Aristóteles creía que la materia estaba conformada por la mezcla de cuatro elementos o fuerzas fundamentales, que denominó: aire, agua, tierra y fuego. Entre estos estaban estados intermedios por los que la materia pasaba en su proceso de transformación: caliente, seco, húmedo y frío. Leucipo en cambio planteo que si la materia era dividida en forma consecutiva, el proceso no tendría el carácter de infinito, sino que se llegaría a una partícula pequeña e invisible que ya no podría seguir dividiéndose. Más tarde Demócrito bautizó a esta partícula como átomo. Sin embargo, este primer “modelo” constituye el resultado de aplicar el pensamiento racional sobre los hechos observados, sin la comprobación experimental que suele acompañar a nuestros conocimientos actuales. Es por tanto, un “modelo no empírico”. El modelo de Dalton. La primera comprobación experimental de las propiedades de los átomos que caracterizaban la materia, llegó de la mano de John Dalton (1766-1844). Las leyes de combinación de los elementos para formar compuestos: Ley de Dalton de las proporciones múltiples, ley de Proust (1754-1826) de las proporciones definidas, la ley de Lavoisier (1743-1794) de la conservación de la masa en las reacciones químicas y la ley de Avogadro (1776-1856), hablaban indirectamente de las características de estos átomos. Dalton se percató de esto y tomando como base las ideas de Leucipo y Demócrito, plantea un modelo, que a diferencia de los griegos, es empírico. Sus resultados los publica en 1808 en su obra titulada New System of Chemical Philosophy.

Objetivos: -Describir investigaciones científicas clásicas o contemporáneas relacionadas con la estructura de la materia. -Explicar características de los átomos en relación con su modelo -Diferenciar los conceptos de isótopo, isóbaro, isótono, catión y anión -Obtener Z, A, números de electrones, protones y neutrones de un elemento a partir de información del átomo. -Valorar el conocimiento del origen histórico de conceptos y teorías sobre la estructura de la materia.

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Principios del modelo de Dalton 1.- Los átomos son partículas reales separadas o independientes que no se pueden dividir por ningún proceso químico conocid 2.- Los átomos del mismo elemento (oxígeno, cobre, oro, etc.) son iguales entre sí en todos sus aspectos y de igual peso. 3.- Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes, como peso, afinidad, etc. 4.- Los compuestos químicos están formados por la unión de átomos de distintos elementos en simples proporciones numéricas

El Modelo de Thomson La electricidad tiene la palabra Los griegos sabían de ciertos fenómenos, como por ejemplo, el que observaban al frotar con piel animal un trozo de resultado era que el ámbar (savia fosilizada) podía atraer, de esta manera, trocitos de hierba seca. Posteriormente y alrededor del 1800, hombres de ciencia de la talla de (1706-1790), A. Volta (1745-1827),M. Faraday (1791-1867) investigaron este fenómeno, que llamaron “eléctrico” y que se presentaba en sólidos (metales) y en sales disueltas o fundidas. Faltaba por investigar el comportamiento eléctrico de los gases. W. Crookes (1832-1919) desarrollo

ánodo. Denominó a estas emisiones: rayos catódicosPosteriormente investigó la naturaleza de estos rayoseléctrica negativa. Las partículas negativas que formaban el rayo catódico fueron bautizadas como electrones. En 1886 E. Goldstein (1850-1930) descubre los rayos positivos o Thomson (1856-1940), determina en 1898 la relación carga/masa (q/m), que le permite afirma que:

Principios del modelo de Dalton

Los átomos son partículas reales separadas o independientes que no se pueden dividir por ningún proceso químico conocido.

Los átomos del mismo elemento (oxígeno, cobre, oro, etc.) son iguales entre sí en todos

Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes, como peso,

están formados por la unión de átomos de distintos elementos en simples proporciones numéricas.

La electricidad tiene la palabra

sabían de ciertos fenómenos, como por ejemplo, el que observaban al piel animal un trozo de ámbar (ηλεκτρον) que en griego se dice “

resultado era que el ámbar (savia fosilizada) podía atraer, de esta manera, trocitos de

Posteriormente y alrededor del 1800, hombres de ciencia de la talla de 1827), L. Galvani (1737-1798), A. M. Ampère

1867) investigaron este fenómeno, que llamaron “eléctrico” y que se presentaba en sólidos (metales) y en sales disueltas o

nvestigar el comportamiento eléctrico de

1919) desarrollo, a mediados de 1800, un aparato, que se denominó “tubo de descarga”. En él comprobó que al aplicar una descarga eléctrica sobre un gas encerrado, éste brillaba intensamente. Pero si extraía parte del gas, la brillantez de la luz iba cediendo y dadébil haz que partía en el cátodo y terminaba en el

rayos catódicos. la naturaleza de estos rayos, notando que poseían

. Las partículas negativas que formaban el rayo catódico fueron

1930) descubre los rayos positivos o rayos canales1940), determina en 1898 la relación carga/masa (q/m), que le permite

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Los átomos son partículas reales separadas o independientes que no se pueden dividir

Los átomos del mismo elemento (oxígeno, cobre, oro, etc.) son iguales entre sí en todos

Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes, como peso,

están formados por la unión de átomos de distintos elementos

sabían de ciertos fenómenos, como por ejemplo, el que observaban al ) que en griego se dice “elektron”. El

resultado era que el ámbar (savia fosilizada) podía atraer, de esta manera, trocitos de

Posteriormente y alrededor del 1800, hombres de ciencia de la talla de B. Franklin A. M. Ampère (1775-1836),

1867) investigaron este fenómeno, que llamaron “eléctrico” y que se

brillaba intensamente. Pero si extraía parte del gas, la brillantez de la luz iba cediendo y daba paso a un débil haz que partía en el cátodo y terminaba en el

, notando que poseían carga . Las partículas negativas que formaban el rayo catódico fueron

rayos canales y J. J. 1940), determina en 1898 la relación carga/masa (q/m), que le permite

La masa de la partícula positiva tenía alrededor de 1800 veces más masa que la

Con estos antecedentes, Thomson postula un nuevo modelo Modelo de Rutherford Descubrimiento de la radiactividad

dos nuevos elementos, el PolonioRadiactividad.

Principios del modelo de Thomson 1.- La materia es continua y está formada por átomos eléctricamente neutros 2. La masa de los átomos posee carga eléctrica positiva. 3.- Los electrones están incrustados en la masa del átomo en cantidad suficiente para garantizar la neutralidad.

La masa de la partícula positiva tenía alrededor de 1800 veces más masa que la partícula negativa.

Con estos antecedentes, Thomson postula un nuevo modelo para el átomo.

Descubrimiento de la radiactividad

Casi al empezar el siglo XX (1952-1908) descubre que un mineral de uranio tiene la capacidad natural de producir emisiones. Logra identificar sus características y las bautiza como β y γγγγ. Los rayos αααα sonde naturaleza positiva y los identifica con átomos ionizados de He, los rayos β, en cambio, están conformados por partículas negativas. Finalmente, los rayosγγγγ no tienen carga ni masa, concluyendo que son energía pura. M Curie (1867-1934) y P. Curie1906), continuarán con las investigaciones comenzadas por Becquerel y descubrirán

Polonio y el Radio, inaugurando así la era de la

Principios del modelo de Thomson

La materia es continua y está formada por átomos eléctricamente neutros.

La masa de los átomos posee carga eléctrica

Los electrones están incrustados en la masa del cantidad suficiente para garantizar la

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La masa de la partícula positiva tenía alrededor de 1800 veces más masa que la

para el átomo.

Casi al empezar el siglo XX H. Becquerel 1908) descubre que un mineral de

uranio tiene la capacidad natural de producir emisiones. Logra identificar sus características y las bautiza como rayos αααα,

sonde naturaleza positiva y los identifica con átomos ionizados de He, los

están conformados por . Finalmente, los rayos

no tienen carga ni masa, concluyendo

P. Curie (1859-1906), continuarán con las investigaciones comenzadas por Becquerel y descubrirán

, inaugurando así la era de la

Experimento de Rutherford Rutherford dirigió las emisiones de una fuente radiactiva sobre una lámina delgada de oro. Para poder detectar las partículas pantalla recubierta de ZnS (sulfuro de cinc), que es un centellador, es decir, sustancia que al ser impactada por las partículas produce destellos. Principios del modelo de Rutherford 1.- La materia está formada por átomos que presentan un gran espacio vacío. 2.- La masa del átomo está concentrada en un espacio pequeño y que posee carga eléctrica positiva 3.- Los electrones giran describiendo órbitas alrededor del núcleo

cantidad suficiente para asegurar la neutralidad eléctrica

Conceptos relacionados con el átomo: Número Atómico (Z): Cantidad de protones que posee eléctricamente neutro, el número atómico, corresponderá también a la cantidad de electrones. Número Másico (A): Corresponde a la suma de los protones y neutrones que posee átomo Notación: Sea X el símbolo de un elemento, podemos anotar Z y A, de las siguientes formas: Tipos de átomos Isótopos: átomos que presentan igual Z y distinto A. Ejemplo: Isóbaros: átomos que presentan distinto Z e igual A. Ejemplo: Isótonos: átomos que presentan igual cantidad de neutrones.

Rutherford dirigió las emisiones de una fuente radiactiva sobre una lámina delgada de oro. Para poder detectar las partículas αααα que usaría como proyectiles, rodeo pantalla recubierta de ZnS (sulfuro de cinc), que es un centellador, es decir, sustancia que al ser impactada por las partículas produce destellos.

Principios del modelo de Rutherford

La materia está formada por átomos que presentan un gran espacio vacío.

La masa del átomo está concentrada en un espacio pequeño y central, llamado núcleo, que posee carga eléctrica positiva

Los electrones giran describiendo órbitas alrededor del núcleo y se encuentran

cantidad suficiente para asegurar la neutralidad eléctrica.

con el átomo:

dad de protones que posee un átomo. Si el átomo es eléctricamente neutro, el número atómico, corresponderá también a la cantidad de

): Corresponde a la suma de los protones y neutrones que posee

ción: Sea X el símbolo de un elemento, podemos anotar Z y A, de las siguientes

: átomos que presentan igual Z y distinto A. Ejemplo: 8O16, 8O17

: átomos que presentan distinto Z e igual A. Ejemplo: 7N14, 6C14

: átomos que presentan igual cantidad de neutrones. Ejemplo: 14Si

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Rutherford dirigió las emisiones de una fuente radiactiva sobre una lámina delgada de que usaría como proyectiles, rodeo todo con una

pantalla recubierta de ZnS (sulfuro de cinc), que es un centellador, es decir, una

La materia está formada por átomos que presentan un gran espacio vacío.

central, llamado núcleo,

y se encuentran en

átomo. Si el átomo es eléctricamente neutro, el número atómico, corresponderá también a la cantidad de

): Corresponde a la suma de los protones y neutrones que posee un

ción: Sea X el símbolo de un elemento, podemos anotar Z y A, de las siguientes

Si30, 15P31

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Cationes: átomos que han perdido uno o más electrones. Ejemplos: Na +, Ca+2, Fe+3 Aniones: átomos que han recibido o capturado uno o más electrones. Ejemplos: S-2, F- Nota: Los cationes y aniones se clasifican en general como iones. Las partículas subatómicas Valores de Carga y Masa de las partículas subatómicas (En S.I)

Partícula Carga (Coulomb) Masa (Kg)

Protón 191.6021 10−× 271.6725 10−×

Neutrón 0 271.6748 10−×

Electrón 191.6021 10−× 319.1091 10−×

Partícula Carga Masa Símbolo Protón +1 1 p

Neutrón 0 1 n Electrón -1 1/1840 e

Origen de la teoría cuántica Aunque el modelo atómico de Rutherford explicaba con éxito las evidencias experimentales observadas hasta el momento, era en sí mismo inconsistente. Ya era conocido en aquella época que cuando una carga eléctrica se mueve con movimiento acelerado, pierde energía en forma de radiación electromagnética. Por lo tanto, como el electrón en movimiento circula alrededor del núcleo está sometido a una aceleración centrípeta, debe perder energía La pérdida de energía conduciría a que la trayectoria del electrón fuera cada vez más cercana al núcleo hasta que el electrón terminara precipitándose sobre él y aniquilándose. Por el contrario, sabemos que el átomo es un sistema de partículas estables. Por lo tanto, es necesario establecer otro modelo atómico que, además de ofrecer explicación a los fenómenos observados, no vulnere las leyes de la física. Espectros atómicos de emisión Los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación, y lo hacen en forma continua, es decir, la radiación está formada por todas las frecuencias, desde las pequeñas a las grandes. Por el contrario, el espectro de emisión de los elementos gaseosos a baja presión continuo, sino que la radiación está formada por algunas frseparar por métodos ópticos (usando un prisma).

Si la radiación descompuesta en las distintas radiaciones que la componen se registra en una placa fotográfica, se observan unas estos espectros se conocen con el nombre de Espectro de emisión del hidrógeno El espectro de emisión del hidrógeno es el más sencillo de todos y, por ello, el más estudiado. Se compone de varias series de bandas, que aparecen en la zona ultraen la visible y en el infrarrojo.

Aunque el modelo atómico de Rutherford explicaba con éxito las evidencias experimentales observadas hasta el momento, era en sí mismo inconsistente.

Ya era conocido en aquella época que cuando una carga eléctrica se mueve con do, pierde energía en forma de radiación electromagnética. Por lo

tanto, como el electrón en movimiento circula alrededor del núcleo está sometido a una debe perder energía en forma de radiación electromagnética.

gía conduciría a que la trayectoria del electrón fuera cada vez más cercana al núcleo hasta que el electrón terminara precipitándose sobre él y aniquilándose. Por el contrario, sabemos que el átomo es un sistema de partículas

cesario establecer otro modelo atómico que, además de ofrecer explicación a los fenómenos observados, no vulnere las leyes de la física.

Espectros atómicos de emisión

Los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación, y lo hacen en forma continua, es decir, la radiación está formada por todas las frecuencias, desde las

Por el contrario, el espectro de emisión de los elementos gaseosos a baja presión , sino que la radiación está formada por algunas frecuencias que se pueden

(usando un prisma).

Si la radiación descompuesta en las distintas radiaciones que la componen se registra en una placa fotográfica, se observan unas bandas de color sobre fondo negro

pectros se conocen con el nombre de espectros de rayas.

Espectro de emisión del hidrógeno

El espectro de emisión del hidrógeno es el más sencillo de todos y, por ello, el más estudiado. Se compone de varias series de bandas, que aparecen en la zona ultra

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Aunque el modelo atómico de Rutherford explicaba con éxito las evidencias experimentales observadas hasta el momento, era en sí mismo inconsistente.

Ya era conocido en aquella época que cuando una carga eléctrica se mueve con do, pierde energía en forma de radiación electromagnética. Por lo

tanto, como el electrón en movimiento circula alrededor del núcleo está sometido a una en forma de radiación electromagnética.

gía conduciría a que la trayectoria del electrón fuera cada vez más cercana al núcleo hasta que el electrón terminara precipitándose sobre él y aniquilándose. Por el contrario, sabemos que el átomo es un sistema de partículas

cesario establecer otro modelo atómico que, además de ofrecer explicación a los fenómenos observados, no vulnere las leyes de la física.

Los cuerpos calientes emiten energía en forma de radiación, y lo hacen en forma continua, es decir, la radiación está formada por todas las frecuencias, desde las

Por el contrario, el espectro de emisión de los elementos gaseosos a baja presión no es ecuencias que se pueden

Si la radiación descompuesta en las distintas radiaciones que la componen se registra en bandas de color sobre fondo negro, por lo que

El espectro de emisión del hidrógeno es el más sencillo de todos y, por ello, el más estudiado. Se compone de varias series de bandas, que aparecen en la zona ultravioleta,

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La primera serie que se observó fue, por razones obvias, la de frecuencias correspondientes a la porción visible del espectro. La descubrió y estudió el físico suizo J. J. Balmer (1825 – 1898), por lo que se conoce con el nombre de serie de Balmer. En 1885 obtuvo una forma empírica que reproducía numéricamente las longitudes de onda de las radiaciones observadas.

Rn2

1 1 14

= ⋅ − λ

donde

λ: Longitud de onda de la radiación que genera cada línea. R: Constante de Rydberg, cuyo valor es: 1.097 × 107 m-1. n: Variable que puede tomar valores enteros mayores que 2. Al estudiar la radiación no visible se detectaron otras series de líneas o rayas que se conocen, también, con el nombre de sus descubridores: Lyman, formada por radiación ultravioleta Paschen, Brackett y Pfund, formadas por radiación infrarroja El físico sueco J. Rydberg (1858 – 1919) halló la expresión empírica que relaciona las longitudes de onda de las radiaciones observadas en las diferentes series espectrales del hidrógeno. Ésta es muy similar a la obtenida por Balmer para la serie visible del espectro. La ecuación de Rydberg es la siguiente:

Rn n2 2

1 2

1 1 1 = ⋅ − λ

donde n1 y n2: Variable que puede tomar valores naturales, de manera que n1<n2. Esta ecuación sólo reproduce los valores encontrados experimentalmente, pero no ofrece ninguna explicación del fenómeno. En 1913 Niels Bohr estableció un nuevo modelo atómico basado en nuevas y revolucionarias teorías: la teoría cuántica de Planck y la teoría corpuscular de la luz de Einstein.