Segundo trimestre. Tema 1: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES. Modelos atómicos.

 Tema 1: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

Estructura de Lewis (electrones de Valencia) y Enlaces Químicos

Configuración Electrónica y Niveles de Energía.

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.

Aprendizajes Esperados:  •Representa el enlace químico mediante los electrones de valencia a partir de la estructura de Lewis.

Aprendizaje Esperado. Indica la manera en la cual los electrones se estructuran y organizan en un átomo de acuerdo con los subniveles de energía s,p,d,f

  ¿Qué es el número atómico?

Es el número total de protones que componen el núcleo atómico de un elemento químico determinado.

Suele denotarse con la letra Z y colocarse como subíndice a la izquierda del símbolo químico del elemento en cuestión, justo debajo del número másico A (cantidad de nucleones en el núcleo, es decir, suma del número de protones y el número de neutrones). Por ejemplo: Na (elemento: sodio, número atómico: 11, y número másico: 23).

Todos los átomos están compuestos de partículas subatómicas: algunas forman parte de su núcleo (protones y neutrones) y otras giran a su alrededor (electrones). Los protones tienen carga positiva, los neutrones tienen carga neutra y los electrones tienen carga negativa (electrones).

Dado que los átomos en la naturaleza son eléctricamente neutros, la cantidad de partículas positivas y negativas es la misma, de modo que si un átomo tiene Z = 11, tendrá once protones y once electrones alrededor.

Además, el número atómico permite organizar los elementos conocidos en la Tabla Periódica, van del menor al mayor número de protones en el núcleo a medida que se avanza por las filas y columnas de la tabla. Por ejemplo, el hidrógeno (H) tiene apenas un protón (Z = 1), mientras que el oganesón (Og) posee ciento dieciocho (Z = 118). Así se puede diferenciar elementos livianos de elementos pesados.

 

El número másico es la suma de los protones y los neutrones. Se denota con la letra A (del alemán Atomgewicht) como superíndice a la izquierda del símbolo químico (por ejemplo: 23Na). El número másico o masa atómica suele ser aproximadamente el doble que el número atómico ya que los neutrones brindan estabilidad al núcleo atómico, y superan así la natural repulsión entre protones de carga positiva. A diferencia del número atómico, el número másico varía en cada isótopo.

El número másico puede calcularse según la fórmula: Número másico (A) = número atómico (Z) + número de neutrones (N).

No debe confundirse el número másico con la masa atómica. La masa atómica se mide en unidades u.m.a (unidad de masa atómica) o Da (dalton). Esta unidad se calcula a partir del átomo de carbono y cada u.m.a es una doceava parte de su masa. En la tabla periódica figura la masa atómica del isótopo más estable.

 

¿Qué es un átomo?

Se conoce como átomo a la unidad más pequeña que constituye la materia. Los átomos tienen las propiedades del elemento químico que componen y, a su vez, los elementos están organizados y clasificados según sus números atómicos, configuración electrónica y propiedades químicas en la Tabla Periódica de los elementos.

Un mismo elemento químico puede estar compuesto por distintos átomos de la misma clase, es decir, con mismo número atómico (número de protones que tiene cada átomo en el elemento), aunque sus masas atómicas sean distintas.

Por ejemplo, existen distintos átomos de un mismo elemento que difieren en su número de neutrones, y son llamados isótopos, un caso representativo son los isótopos del elemento carbono (12C, 13C, 14C). Entonces, cada átomo pertenece a un mismo elemento químico o no, dependiendo de su número de protones, por lo que los átomos con el mismo número de protones pertenecen a un mismo elemento químico.

¿Cómo se compone un átomo?

Los átomos están compuestos por un núcleo y uno o varios electrones (que tienen carga negativa) alrededor de él. El núcleo está compuesto por partículas llamadas protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones son neutros. Al conjunto de protones y neutrones se les llama nucleones.

Los protones y electrones se atraen entre sí por la fuerza electromagnética (interacción que presentan las partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos), mientras que los protones y neutrones se atraen entre sí por la fuerza nuclear (fuerza que experimentan únicamente las partículas que componen el núcleo atómico).

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, donde están los protones y los neutrones (que en su conjunto son 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 atómicos. Un orbital describe una región del espacio que rodea al núcleo atómico en la que la probabilidad de encontrar un electrón es muy alta. Estas regiones tienen diferentes formas que son obtenidas como resultado de resolver la ecuación estacionaria de Schrödinger. Erwin Schrödinger fue un científico austríaco que desarrolló en 1925 esta ecuación para calcular la evolución de una partícula subatómica, como por ejemplo los electrones. Así, los electrones forman una especie de “nube” alrededor del núcleo, que está representada por la forma de los orbitales atómicos. Por otra parte, cada orbital atómico corresponde a un cierto valor de energía para los electrones, por lo que están organizados según sus valores de energía. En la siguiente figura se muestran las formas de los primeros orbitales atómicos:

 ¿Qué son las partículas subatómicas?

Se entiende por partículas subatómicas a las estructuras de la materia que son más pequeñas que el átomo y que, por ende, forman parte de éste y determinan sus propiedades. Dichas partículas pueden ser de dos tipos: compuestas (divisibles) o elementales (indivisibles).

A lo largo de la historia, el ser humano ha estudiado la materia y ha propuesto diversas teorías y aproximaciones más o menos científicas a las partículas más pequeñas que existen, las que lo componen todo.

Los distintos modelos atómicos propuestos desde la antigüedad encontraron lo que parece ser su forma definitiva en la contemporaneidad, gracias al desarrollo de la teoría cuántica, la electroquímica y la física nuclear, entre otras disciplinas.

 Así, se sabe hoy que el átomo, la unidad más pequeña en que se encuentra la materia y que tiene las propiedades de un elemento químico, se compone en su mayor parte de vacío, con un núcleo de partículas en el que se concentra el mayor porcentaje de su masa, y otras partículas más (los electrones) girando a su alrededor.

Las partículas subatómicas se clasifican de acuerdo a diversos criterios. Por ejemplo, las partículas más conocidas y estables son tres: electrones, protones y neutrones, diferentes entre sí por su carga eléctrica (negativa, positiva y neutra respectivamente) y su masa, o por el hecho de que los electrones son partículas elementales (indivisibles) y las últimas dos son compuestas. Además, los electrones orbitan el núcleo, mientras los protones y neutrones lo componen.

 Por otro lado, los protones y neutrones, al ser partículas compuestas, pueden subdividirse en otras partículas llamadas quarks.

¿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.

 El tamaño de un electrón es 1836 veces menor que el de los protones (aportan el 0,06 % de la masa total de un átomo) y, al no tener subestructuras ni divisiones, se lo 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, y en gran medida determinan las uniones atómicas, tanto iónicas (de pérdida o ganancia de electrones) o covalentes (de uso conjunto de electrones). Los electrones generan campos eléctricos que afectan a las partículas cargadas a su alrededor.

El origen de los electrones, conforme a la teoría más aceptada respecto del origen del universo, apunta a que se formaron durante los primeros milisegundos del Big Bang, cuyas temperaturas superaban los 1010 K, suficientes para formar pares de positrones (e+) – electrones (e-) que se aniquilaban entre sí por tener carga eléctrica contraria.

Por razones desconocidas, el número de electrones fue muy superior al de los protones, por lo que sobrevivieron y empezaron a ser atraídos por los primeros protones cuando el universo se enfrió lo suficiente, formando así los átomos más elementales de la naturaleza.

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.

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.

 ¿Qué es un protón? El protón es un tipo de partícula subatómica, es decir, una de las partículas mínimas que constituyen al átomo. Pertenece a la familia de los fermiones y está dotado de carga eléctrica positiva.

 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).

 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.

 Los protones fueron descubiertos en 1918 por Ernest Rutherford (1871-1937), químico y físico británico. 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.

 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.

Los protones son partículas compuestas estables, mucho más masivos que un electrón (1836 veces) y dotados de una carga elemental positiva de 1 (1,6 x 10-19 C). Se encuentran compuestos por tres partículas elementales o quarks: dos “up” (arriba) y uno “down” (abajo). Su vida media es superior a 1035 años, momento a partir del cual son susceptibles de descomponerse.

 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. Esta propiedad resulta particularmente útil para las resonancias magnéticas nucleares y otro tipo de aplicaciones tecnológicas modernas.

 ¿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.

Descubrimiento del neutrón

James Chadwick-neutron

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 en 1920 la necesidad de que existiera un neutrón, o sea, una partícula que aportara masa al átomo sin modificar su carga eléctrica.

 Años después, los neutrones fueron descubiertos en 1932, por el físico inglés James Chadwick, ganador en 1935 del Premio Nobel de Física. Gracias a distintas experiencias y estudios de la radiación obtenida al golpear parafina u otros compuestos ricos en hidrógeno, Chadwick demostró que las predicciones físicas no se correspondían con el fenómeno observado.

Es decir que la radiación obtenida provenía de partículas similares al protón, pero que no poseían una carga eléctrica. Esa fue la primera experiencia que condujo al hallazgo formal de los neutrones.

 Propiedades de los neutrones. Los neutrones poseen una masa similar a la del protón, pero ligeramente mayor (1,00137 veces) y, por lo tanto, mucho mayor a la del electrón (1838,5 veces). 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, antes de descomponerse en un protón, un electrón y antineutrino electrónico. Esto es lo que ocurre a menudo en el interior de las plantas nucleares, donde hay una alta concentración de neutrones libres.

 Una breve historia de los átomos. La evolución química del Universo.

Los filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más sencillo de lo que parecía.

En el siglo V a.C., Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía, además, que, si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un discípulo suyo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”.

Empédocles estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y fuego.

Aristóteles negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4 elementos, que, gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad durante 2000 años. Hoy sabemos que aquellos 4 elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales.

Una vez aceptada la teoría atómica de la materia, los fenómenos de electrización y electrólisis pusieron de manifiesto, por un lado, la naturaleza eléctrica de la materia y, por otro, que el átomo era divisible, es decir, que estaba formado por partículas más pequeñas que el propio átomo.

Después de la suposición del Demócrito, ahí quedo la cosa hasta que Dalton, en 1803 lanzó su teoría atómica de la materia y la demostró con múltiples experimentos.

En ella decía que todos los elementos que se conocen están constituidos por átomos y que estos eran lo más pequeño en que se podía dividir la materia, es decir eran indivisibles.

Fue el primero en crear una «Teoría Atómica» llamada Teoría Atómica de Dalton.

Dalton utilizó su teoría para explicar y demostrar la existencia del átomo, más o menos igual que Demócrito, pero con un montón de experimentos que se habían hecho sobre los gases, y para calcular los pesos atómicos de los elementos.

La teoría atómica de Dalton era útil para muchos cálculos y ayudaba a explicar una gran cantidad de datos.

El error de su teoría era que decía que el átomo era indivisible, cosa que hoy en día se ha demostrado que es falso.

Faltaba por descubrir el electrón, el protón, el neutrón y el núcleo del átomo.

En 1906 J.J. Thomson, supuso que Dalton estaba equivocado, porque el átomo estaba compuesto de electrones, partículas más pequeñas que el átomo.

Los experimentos de Thomson mostraron que las partículas negativas son todas iguales y más pequeñas que los átomos.

Thomson llegó a la conclusión de que las partículas negativas no podían ser las unidades fundamentales de la materia, ya que eran todas iguales.

En lugar de ello, planteó que deberían ser parte de los átomos.

Las partículas negativas fueron más tarde llamadas electrones. Thomson fue el descubridor del electrón Millikan, lo confirmó veinte años después.

En 1911 Rutherford, lanzó la primera teoría sobre la estructura del átomo, en ella decía que los electrones giraban alrededor del núcleo como si fuera un sistema solar en miniatura.

Fue el descubridor del núcleo del átomo.

Esta teoría se mantuvo hasta 1913, fecha en la cual Bohr, lanzó una nueva teoría atómica, en ella decía que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas y las demás partículas se concentraban en el núcleo del átomo.

Esta teoría fue y es de las más importantes, llamada Teoría Atómica de Bohr.

Más tarde, En 1919, de nuevo Rutherford, descubrió que el núcleo de los átomos estaba compuesto por protones, y que estos tenían carga positiva.

La teoría atómica de Bohr no era la definitiva, pero si la base de las teorías actuales sobre el átomo.

Y en 1932 Chadwick, descubrió el neutrón, una de las partículas fundamentales de la materia que se encuentra en el núcleo del átomo.