Segundo Bimestre *QUÍMICA* Clasificación de los materiales.

Tema 1: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES Subtema: •Modelo atómico de Bohr. •Enlace químico. Aprendizajes Esperados: •Identifica los componentes del modelo atómico de Bohr (protones, neutrones y electrones), así como la función de los electrones de valencia para comprender la estructura de los materiales. •Representa el enlace químico mediante los electrones de valencia a partir de la estructura de Lewis. •Representa mediante la simbología química elementos, moléculas, átomos, iones (aniones y cationes). Toda la materia está hecha de átomos, y estos a su vez, están compuestos esencialmente por tres tipos de partículas dotados de carga eléctrica diferente: los electrones (carga negativa), los neutrones (carga neutra) y los protones (carga positiva).

Partes de un átomo Los orbitales son trazados por electrones alrededor del núcleo. Los átomos se componen de dos partes esenciales: • El núcleo. Alrededor del 99,94% de la masa de un átomo está concentrada en el núcleo, en donde se hallan los protones y los neutrones (también llamados nucleones), unidos por las fuerzas nucleares fuertes, lo cual impide que los protones se repelan entre sí, al poseer una misma carga eléctrica. • Los orbitales. Se conoce así a las órbitas que trazan los electrones alrededor del núcleo, atraídos por la diferencia de carga eléctrica entre unos y otros, pero sin llegar a caer hacia el mismo (de manera semejante a como los planetas orbitan el Sol). Los electrones pueden cambiar de orbitales, yendo más cerca o más lejos del núcleo, y en algunos casos de enlace químico pueden incluso transferirse o compartirse con otro átomo. Durante mucho tiempo se pensó que el protón era un tipo fundamental de partícula, es decir, que no se lo podía dividir. Sin embargo, hoy existe sólida evidencia de que está compuesto de quarks. En todo caso, el protón es una partícula subatómica estable. A diferencia del electrón, que orbita alrededor del núcleo del átomo, los protones se encuentran contenidos en el núcleo atómico junto a los neutrones, aportando la mayor parte de la masa atómica. ¿Qué es un neutrón? Un neutrón es un tipo de partícula subatómica (partículas que componen los átomos de la materia) presente en el núcleo de algunos átomos y dotada de una carga eléctrica neutra. Todos los átomos del universo se componen de neutrones, protones (de carga eléctrica positiva) y electrones (de carga eléctrica negativa). Los neutrones se hallan en el núcleo de los átomos (excepto en el de hidrógeno), junto a los protones. Se mantienen allí unidos por fuerzas nucleares fuertes, mientras que los electrones, en el módelo atómico clásico, danzan alrededor en distintas órbitas. Por ese motivo se les conoce a protones y neutrones como nucleones. James Chadwick comprobó experimentalmente la existencia del neutrón. Antes del descubrimiento de los neutrones, existía una incógnita respecto a la masa y carga de los átomos, en especial cuando se evidenció que los electrones no podían estar en el núcleo atómico, pero que la masa nuclear no se correspondía exactamente con la masa total de los protones.Así, el físico alemán Ernest Rutherford, quien descubrió los protones, propuso la necesidad de que existiera un neutrón, o sea, una partícula que aportara masa al átomo sin modificar su carga eléctrica. Los neutrones poseen una masa similar a la del protón, Como los protones, están compuestos por partículas fundamentales llamadas quarks. Los neutrones poseen dos quarks “down” (abajo) y uno “up” (arriba). La suma de las cargas de estos quarks es cero. Cuando se encuentran en el núcleo atómico, los neutrones son estables, pero cuando se hallan por fuera, en estado libre, poseen una vida media de 879,4 segundos, Función de los neutrones Entre otras cosas, los neutrones se utilizan para generar energía nuclear. Los neutrones cumplen una función estabilizante dentro del núcleo del átomo. Si no estuvieran, los protones se repelerían unos a otros. También son empleados en la fisión nuclear, es decir, la ruptura del núcleo atómico al bombardearlo con neutrones libres, provocando así reacciones que liberan enorme cantidad de energía. Esto, desde luego, entraña muchos peligros, ya que la emisión descontrolada de neutrones puede dañar la estructura de las proteínas básicas de los seres vivientes. ¿Qué es un protón? El protón es un tipo de partícula subatómica, es decir, una de las partículas mínimas que constituyen al átomo. Está dotado de carga eléctrica positiva. Descubrimiento del protón: Ernest Rutherford descubrió el protón al experimentar con nitrógeno. Los protones fueron descubiertos en 1918 por Ernest Rutherford. En medio de experimentos con gas de nitrógeno, Rutherford notó que sus instrumentos detectaban la presencia de núcleos de hidrógeno al disparar partículas alfa contra el gas. Concluyó que estos núcleos debían ser partículas fundamentales de la materia, el núcleo del átomo de hidrógeno contiene una única partícula: un protón. Fue así que se decidió dotar al hidrógeno del número atómico 1. Además, el británico J. J. Thompson (1856-1940) ya había descubierto los electrones y su carga negativa, es decir que era necesario que hubiera en el átomo algún otro tipo de partícula con carga opuesta. Propiedades y características del protón Cada protón está formado por dos quarks «arriba» y un quark «abajo». Los protones son partículas compuestas estables, Se encuentran compuestos por tres partículas elementales o quarks: dos “up” (arriba) y uno “down” (abajo). Los protones poseen, como otras partículas subatómicas, un espín propio, o sea, un momento angular intrínseco e invariable, que en este caso es de ½.. Nucleones. Dado que suelen hallarse normalmente en el núcleo atómico, los protones y los neutrones son conocidos como “nucleones”. Los electrones, en cambio, orbitan alrededor de ellos de manera más o menos dispersa. Los nucleones se hallan unidos entre sí por las fuerzas nucleares fuertes, que solo en casos de átomos particularmente grandes (como el Uranio) pueden ceder ante otras fuerzas, como la electromagnética. Los nucleones constituyen el mayor porcentaje de la masa de un átomo . ¿Qué es un electrón? Un electrón es un tipo de partícula subatómica que presenta carga eléctrica negativa y que orbita activamente el núcleo atómico (compuesto por protones y neutrones), que presenta una carga eléctrica positiva. Se le considera una partícula elemental de la materia. Los electrones juegan un rol esencial en determinas fuerzas y fenómenos físicos de la naturaleza, como la electricidad, el magnetismo o la conductividad térmica. La cantidad de electrones en los átomos de la materia determina que ésta tenga una carga neutra (equilibrio entre protones y electrones), positiva (escasez de electrones) o negativa (exceso de electrones). Al mismo tiempo, existen electrones “libres” que pueden desplazarse de un átomo a otro de la materia, generando flujos eléctricos o campos magnéticos, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren. Existen materiales que se conocen como conductores, en los que los electrones pueden moverse libremente de átomo en átomo y así generar flujos de átomos en movimiento, lo que conoce como corriente eléctrica. Características de un electrón: Los electrones pertenecen a un tipo de partículas elementales llamadas leptones. Existen también otros dos grupos de partículas elementales denominadas quarks y bosones. Para cada tipo de partícula existen tres familias o generaciones. Los electrones son los leptones con carga eléctrica de menor masa del conjunto, y pertenecen a la primera generación de partículas fundamentales (la segunda y tercera generación contiene a las partículas muon y tau). La masa de un electrón es siempre 9,019 x 10-31 kg y su carga eléctrica respectiva es de -1,602 x 10-19 coulomb, lo cual representa una carga idéntica a la del protón, pero de signo opuesto. Esa medida es conocida como la carga elemental de la naturaleza. ¿Quién descubrió el electrón? El electrón fue descubierto a finales del siglo XIX, gracias a sucesivas investigaciones en el campo de la conductividad eléctrica en gases. Utilizando rayos catódicos se observaron fenómenos que llevaron a la conclusión de que estos rayos eran partículas cargadas negativamente, llamadas inicialmente corpúsculos y que tenían la milésima parte de la masa del ion de hidrógeno, el menos masivo de todos los átomos. Lo curioso es que, al variar la naturaleza del gas empleado, estas partículas conservaban todas sus características. A fines del siglo XIX, el irlandés George Francis Fitzgerald las bautizó “electrones”, nombre que desde el principio gozó de aceptación general. La pertenencia de estas partículas a la estructura del átomo se postuló alrededor de 1900, gracias a los experimentos de Rutherford, Moseley, Franck y Hertz, y al modelo atómico propuesto posteriormente por Niels Bohr. Número atómico En la tabla periódica puede observarse el número atómico de cada elemento. El número atómico (Z) indica cuántos protones posee un tipo de átomo en su núcleo. Cada elemento químico posee un número atómico diferente, Así, por ejemplo, el cloro (Cl) posee 17 protones en su núcleo, de modo que su número atómico es 17. Este número no varía nunca, ni siquiera entre los isótopos (versiones) de un mismo átomo, ya que se diferencian entre sí únicamente por el número de neutrones en su núcleo. Nota: La suma de protones y de neutrones corresponde a la masa atómica del elemento, El número Atómico de cada elemento presenta la misma cantidad de electrones que de protones. ¿Qué son los modelos atómicos? Se conoce como modelos atómicos a las distintas representaciones gráficas de la estructura y funcionamiento de los átomos. Los modelos atómicos han sido desarrollados a lo largo de la historia de la humanidad a partir de las ideas que en cada época se manejaban respecto a la composición de la materia. Los primeros modelos atómicos datan de la antigüedad clásica, cuando los filósofos y naturalistas se aventuraron a pensar y a deducir la composición de las cosas que existen, es decir, de la materia. Modelo atómico de Demócrito (450 a.C.): La “Teoría Atómica del Universo” fue creada por el filósofo griego Demócrito junto a su mentor, Leucipo. En aquella época los conocimientos no se alcanzaban mediante la experimentación, sino mediante el razonamiento lógico, basándose en la formulación y el debate de ideas. Demócrito propuso que el mundo estaba formado por partículas muy pequeñas e indivisibles, de existencia eterna, homogéneas e incompresibles, cuyas únicas diferencias eran de forma y tamaño, nunca de funcionamiento interno. Estas partículas se bautizaron como “átomos”, que significa “indivisible”. Según Demócrito, las propiedades de la materia estaban determinadas por el modo en que los átomos se agrupaban. Filósofos posteriores como Epicuro añadieron a la teoría el movimiento aleatorio de los átomos. Modelo atómico de Dalton (1803 d.C.): El primer modelo atómico con bases científicas nació en el seno de la química, propuesto por John Dalton en sus “Postulados Atómicos”. Sostenía que todo estaba hecho de átomos, indivisibles e indestructibles, incluso mediante reacciones químicas. Dalton proponía que los átomos de un mismo elemento químico eran iguales entre sí y tenían la misma masa e iguales propiedades. La teoría de Dalton tuvo algunos errores. Afirmaba que los compuestos químicos se formaban usando la menor cantidad de átomos posible de sus elementos. Por ejemplo, la molécula de agua, según Dalton, sería HO y no H2O, que es la fórmula correcta. Por otro lado, decía que los elementos en estado gaseoso siempre eran monoatómicos (compuestos por un solo átomo), lo que sabemos no es real. Modelo atómico de Lewis (1902 d.C.): También llamado “Modelo del Átomo Cúbico”, en este modelo Lewis proponía la estructura de los átomos distribuida en forma de cubo, en cuyos ocho vértices se hallaban los electrones. Esto permitió avanzar en el estudio de las valencias atómicas y los enlaces químicos, sobre todo luego de su actualización por parte de Irving Langmuir en 1919, donde planteó el “átomo del octeto cúbico”. Estos estudios fueron la base de lo que se conoce hoy como el diagrama de Lewis, herramienta muy útil para explicar el enlace covalente. Modelo atómico de Thomson (1904 d.C.) Thomson asumía que los átomos eran esféricos con electrones incrustados en ellos. descubridor del electrón en 1897, este modelo es previo al descubrimiento de los protones y neutrones, por lo que asumía que los átomos estaban compuestos por una esfera de carga positiva y los electrones de carga negativa estaban incrustados en ella, como las pasas en el pudín. Dicha metáfora le otorgó al modelo el epíteto de “Modelo del Pudín de Pasas”. Este modelo hacía una predicción incorrecta de la carga positiva en el átomo, pues afirmaba que esta estaba distribuida por todo el átomo. Más tarde esto fue corregido en el modelo de Rutherford donde se definió el núcleo atómico. Modelo atómico de Rutherford (1911 d.C.) Ernest Rutherford realizó una serie de experimentos en 1911 a partir de láminas de oro. En estos experimentos determinó que el átomo está compuesto por un núcleo atómico de carga positiva (donde se concentra la mayor parte de su masa) y los electrones, que giran libremente alrededor de este núcleo. En este modelo se propone por primera la existencia del núcleo atómico. Modelo atómico de Bohr (1913 d.C.) Al saltar de una órbita a otra, los electrones emiten un fotón diferenciando la energía entre órbitas. Este modelo da inicio en el mundo de la física a los postulados cuánticos, por lo que se considera una transición entre la mecánica clásica y la cuántica. El físico danés Niels Bohr propuso este modelo para explicar cómo podían los electrones tener órbitas estables (o niveles energéticos estables) rodeando el núcleo. Además, explica por qué los átomos tienen espectros de emisión característicos. En los espectros realizados para muchos átomos se observaba que los electrones de un mismo nivel energético tenían energías diferentes. Esto demostró que había errores en el modelo y que debían existir subniveles de energía en cada nivel energético. El modelo de Bohr se resume en tres postulados: • Los electrones trazan órbitas circulares en torno al núcleo sin irradiar energía. • Las órbitas permitidas a los electrones son aquellas con cierto valor de momento angular (L) (cantidad de rotación de un objeto) que sea un múltiplo entero del valor , siendo h=6.6260664×10-34 y n=1, 2, 3…. • Los electrones emiten o absorben energía al saltar de una órbita a otra y al hacerlo emiten un fotón que representa la diferencia de energía entre ambas órbitas. Modelo atómico de Sommerfeld (1916 d.C.) El modelo de Sommerfeld se basó en parte de los postulados relativistas de Albert Einstein. Este modelo fue propuesto por Arnold Sommerfield para intentar cubrir las deficiencias que presentaba el modelo de Bohr. Se basó en parte de los postulados relativistas de Albert Einstein. Entre sus modificaciones está la afirmación de que las órbitas de los electrones fueran circulares o elípticas, que los electrones tuvieran corrientes eléctricas minúsculas y que a partir del segundo nivel de energía existieran dos o más subniveles. Modelo atómico de Schrödinger (1926 d.C.) Propuesto por Erwin Schrödinger a partir de los estudios de Bohr y Sommerfeld, concebía los electrones como ondulaciones de la materia, lo cual permitió la formulación posterior de una interpretación probabilística de la función de onda (magnitud que sirve para describir la probabilidad de encontrar a una partícula en el espacio) por parte de Max Born. Eso significa que se puede estudiar probabilísticamente la posición de un electrón o su cantidad de movimiento pero no ambas cosas a la vez, debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Este es el modelo atómico vigente a inicios del siglo XXI, con algunas posteriores adiciones. Se le conoce como “Modelo Cuántico-Ondulatorio”