Tema:Teoría atómica
Objetivos:
Teoría atómica de John Dalton
La ley de conservación de la masa de Lavoisier y la ley de las proporciones definidas de Proust
fueron confirmadas por experimentos de laboratorio. John Dalton propuso
un modelo a partir de estos datos experimentales. Además de la ley de
Proust ("un compuesto contiene elementos en ciertas proporciones
definidas"), Dalton propuso la ley de las proporciones
múltiples, que consistía en que ciertos elementos se combinan en más de
un conjunto de proporciones. Si dos elementos forman un compuesto, las
diferentes masas de un elemento de uno de esos elementos que se combinan
con una masa fija de un segundo elemento guardan entre sí una
proporción sencilla de números enteros.
Las ideas principales de su teoría atómica son las siguientes:
a) Todos los elementos se componen de átomos. No se crean ni destruyen durante las reacciones químicas.
b) Todos los átomos de un elemento son iguales, pero los átomos de un elemento difieren de los átomos de otros elementos.
c)
Se forman compuestos cuando los átomos de elementos diferentes se
combinan en proporciones fijas y pequeñas de números enteros.
d) Cuando dos elementos se combinan, cada compuesto tiene una proporción de átomos diferente, pero definida, en números enteros.
e) En una reacción química, los átomos se reordenan para formar sustancias nuevas.
No pasó mucho tiempo para que se
encontrara que el modelo de Dalton era insatisfactorio. William
Nicholson y Anthony Carlisle demostraron la electrólisis del agua y como
consecuencia demostraban que el agua interactuaba con la electricidad y
el modelo de Dalton no era capaz de explicar estas observaciones.
----------------------------------------------------------------
Williams Crookes
Williams Crookes
(1832-1919) llevó a cabo estudios en un tubo de vidrio al vacío, en el
cual se habían insertado en los extremos unos electrodos. Al conectar
los electrodos a una fuente de voltaje, uno de ellos adquiere carga
positiva (ánodo o electrodo positivo) y el otro una carga negativa
(cátodo o electrodo negativo). Al aplicar un alto voltaje, el tubo de
vidrio al vacío comenzaba a emitir una luz. Esta luz se desviaba al
colocar un imán cerca de él. Estaba convencido de que este haz luminoso,
que ahora conocemos como rayo catódico, estaba formado por partículas
con carga. ¿Qué eran estos rayos catódicos?...
----------------------------------------------------------------
Joseph Thompson
Joseph Thompson
(1856-1940) obtuvo la respuesta; demostró que los rayos catódicos se
desviaban en un campo eléctrico. Los rayos que viajaban del cátodo
(placa negativa) al ánodo eran atraídos por la placa positiva y
repelidos por la negativa. Un irlandés llamado G.J.Stoney
les dio el nombre de electrones. Aunque Thomson no consiguió medir la
carga ni la masa del electrón, si logró medir la relación carga-masa
(e/m) = -1.76 x 10(8) Coulombs/gr. Thomson demostró que este rayo
catódico viaja en línea recta, se desvía hacia una placa positiva, dando
prueba de su carga negativa y que transfería energía cinética a unas
aspas, lo que implicaba la presencia de una partícula con masa. Además
demostró que las propiedades de los rayos catódicos son iguales sin
importar el metal de que se hubiese hecho el cátodo.
----------------------------------------------------------------
Eugene Goldstein
Eugen Goldstein
(1886) llevó a cabo experimentos con el tubo de Crookes, con la
diferencia que llevaba un cátodo metálico lleno de orificios. Goldstein
observó no sólo la corriente de electrones emitidos por el cátodo, sino
además unos rayos positivos (rayos canales) en la región detrás del
cátodo. Estas cargas positivas se desprenden por el choque de los
electrones con los gases neutros. Goldstein demostró que estas
partículas tenían carga positiva. Más tarde se demostraría que
corresponden a los protones.
----------------------------------------------------------------
Robert Millikan
Robert Millikan
(1909) estableció la carga del electrón. Se uso una cámara atomizadora
para rociar una niebla de aceite. Cuando una gotita de aceite caía a
través de un orificio hasta la cámara inferior, recogía electrones
producidos irradiando el aire con rayos X. El movimiento de la gota con
carga negativa que caía se podía retardar o detener, ajustando la fuerza
eléctrica de placas en extremos opuestos. Millikan pudo calcular la
cantidad de carga de una gota porque conocía la magnitud de la fuerza
eléctrica de las placas y podía conocer la masa de la gota. Millikan
demostró que si bien la carga eléctrica de una gota no era siempre la
misma, era un múltiplo de -1.6 x 10-19 coulomb. Dedujo que este valor es
la carga del electrón. Así, se tenía la relación carga/masa y la carga,
entonces se podía calcular la masa del electrón (= 9.11 x 10-28 gr.).
----------------------------------------------------------------
James Chadwick
James Chadwick
(1932) descubrió el neutrón, una partícula con la misma masa del
protón, pero sin carga eléctrica. Chadwick peso independientemente un
volumen de gas hidrógeno y un volumen de gas helio, y se percató que el
He que tenía sólo dos protones debía pesar el doble que el hidrógeno que
tenía un solo protón; sin embargo los resutados experimentales
mostraron que el helio pesaba cuatro veces el hidrógeno. Su propuesta
fue que el exceso de masa del helio, se debía a que tenían que existir
otras dos partículas que aportaran a la masa pero que no afectaran la
carga del átomo. Estas dos partículas eran los neutrones. Recordemos que
el núcleo del helio era el doble de carga que el de hidrógeno pero 4
veces más pesado que este.
----------------------------------------------------------------
Antoine-Henri Becquerel y la radiactividad
Antoine Becquerel
estudiaba la fluorescencia, un fenómeno que se produce cuando ciertas
sustancias químicas emiten luz al exponerse a los rayos solares.
Becquerel se preguntó si la fluorescencia podía tener alguna relación
con los rayos X. En una oportunidad en su laboratorio, luego de que una
muestra de uranio estuvo brevemente expuesto a la luz solar, el
experimento se vio interrumpido por unos días nublados, por lo cual
Bequerel puso la placa fotográfica y el mineral en un cajón. Días más
tarde cuando concluyó el experimento y reveló la placa, esta estaba
velada debido a la muestra de uranio. Nuevos experimentos demostraron
que la radiación provenía del mineral de uranio. Marie Sklodowska Curie llamó a este fenómeno radioactividad.
----------------------------------------------------------------
Wilhelm-Conrat Roentgen (1845-1923) y los Rayos X
Wilhelm Roentgen
(1895) trabajando en un cuarto oscuro con sustancias que emitían luz al
ser expuestas a los rayos catódicos, observó esta luminosidad en una
hoja de papel fotográfico. El papel fotográfico se velaba aún cuando el
emisor de radiación estaba en la pieza de al lado. Roentgen había
descubierto un nuevo rayo capaz de atravesar paredes. Esta radiación se
desprendía del ánodo siempre que el tubo de rayos catódicos funcionara.
Una leve onda de radiación ionizante penetraba en los tejido humanos
para revelar la sombra de los huesos. Cuando publicó sus hallazgos,
llamó a la extraña lux "X", el símbolo matemático de una variable
desconocida. El Rayo X tuvo un éxito inmediato.
----------------------------------------------------------------
Ernst Rutherford
Rutherford
hizo pasar la radiación a través de un campo magnético intenso, observó
que los rayos se separaban en distintas direcciones. Los rayos alfa
tienen carga doblemente positiva, se desvían hacia la placa negativa y
su masa resultó ser 4 veces mayor que la del hidrógeno. Los rayos beta
eran idénticos a los rayos catódicos, que son una corriente de
electrones con carga -1. Los rayos gamma, no son desviados por el campo
magnético, no tienen masa ni carga.
Rutherford encargó a una estudiante Earnest Marsden
que investigará el efecto de las partículas alfa sobre hojas metálicas
delgadas de diversos grosores. Pocos días después descubrieron que al
usar láminas de oro, la mayor parte de los electrones atravesaban la
lámina metálica y una pocas se desviaban. Rutherford reconoció lo
increíble, pero sólo dos años después había llegado a la conclusión de
que toda la carga positiva y prácticamente toda la masa del átomo estaba
en un núcleo muy pequeño. Los electrones giraban en una orbita
alrededor del núcleo dejando un espacio libre que explica el paso sin
problemas de las partículas alfa a través de los átomos (modelo planetario).
Entre las cosas sin responder
estaba la observación de que el núcleo del helio era el doble más grande
que el de hidrógeno pero 4 veces más pesado que este.
----------------------------------------------------------------
Experimento de Rutherford y Marsden
Con
nucleos de helio (He) proveniente de un material radiactivo encerrado
en un contenedor de plomo, se bombardeó una lámina de oro (Au) en el que
supuestamente habían átomos como los del modelo de Rutherford. Los
resultados obtenidos sugerían que los átomos eran como invisibles, ya
que la emisión de protones seguía un camino recto, dejando una marca en
la pantalla fluorescente. Una fracción muy baja rebotaba en los átomos
de la lámina de la lámina de oro. La interpretación decía que los
núcleos de helio pasaban a través de un átomo vacío, con un núcleo
compacto y pesado central y los electrones que orbitaban a alguna
distancia a su alrededor. Estas observaciones e interpretaciones
permitió cambiar el modelo de Thomson a un modelo planetario con un
nucleo y electrones orbitando a una cierta distancia. Los núcleos
bombardeados en su mayoría penetraban por entre el núcleo y el orbital y
sólo unos pocos chocaban con el núcleo mismo que rebotaban por
repulsión electrostática.
----------------------------------------------------------------
Modelo de Bohr
Al elevar la temperatura de un elemento en particular, éste emite una radiación característica. Niels Bohr
no podía interpretar este experimento con el modelo de Rutherford, y
por eso propuso un nuevo modelo atómico. El modelo consistía en agregar
varios orbitales en lugar de uno solo como lo definía Rutherford. La
energía entregada exitaba a los electrones y los hacia saltar a niveles
más externos. Al dejar de exitar a los electrones, estos volvían a su
nivel inferior y emitian una radiación. El salto de los electrones de
una orbita de mayor a otro de menor energía era lo que explicaba la luz.
Posteriormente en el trabajo de observación con espectroscopios, se
observó que cada vez que a un elemento se le aporta energía, las líneas
del espectro (luz emitida al rojo vivo) eran en realidad dos o más
líneas muy juntas. Para poder explicar esto, Sommerfeld supuso que cada
nivel de energía estaba formado por una serie de subniveles muy próximos
entre sí. Los subniveles de energía se representan por las letras s, p,
d y f. En el primer nivel hay un subnivel (1s); en el segundo nivel hay
dos subniveles (2s y 2p); en el tercer nivel hay tres subniveles (3s,
3p y 3d); en el cuarto nivel hay cuatro subniveles (4s, 4p, 4d y 4f);
etc. El número máximo de electrones en cada subnivel es 2 en el "s", 6
en el "p", 10 en el "d" y 14 en el "f".
----------------------------------------------------------------
Isótopos
Los
isótopos son átomos de la misma clase (igual número de protones), pero
que difieren en el número de neutrones, y por lo tanto con más protones
son más pesados. Ejemplo de ello son el hidrógeno (cero neutrones),
deuterio (un neutrón) y tritio (dos neutrones).
----------------------------------------------------------------
Calculo de la masa atómica promedio
La
masa de un átomo se obtiene sumando el peso de cada protón y neutrón de
un elemento en particular. Los electrones son muy livianos, casi 2000
veces más liviano que un protón y por lo tanto la masa de un elemento
depende casi exclusivamente de su núcleo. Sin embargo la masa atómica o
peso atómico en la tabla periódica trae un numero con decimales debido a
que ese valor es el promedio ponderado de todos los isótopos de ese
elemento. En la foto se muestra como calcularlo.
----------------------------------------------------------------
Número atómico y número másico
El
número atómico está representado por la letra Z y significa el número
de protones presentes en el núcleo. Este número es característico de
cada elemento y si llegase a cambiar, cambia el elemento mismo. Los
elementos estables van desde un Z=1 para el caso del hidrógeno a Z= 92
en el caso del uranio.
El
número másico representa a los protones y neutrones del núcleo. Ambos
pesan exactamente igual y por lo tanto manifiestan casi la totalidad del
peso de un átomo. El peso de un electrón es alrededor de 1860 veces
menos que un protón o un neutrón y por eso mismo se puede despreciar el
peso de los electrones.
m átomo = m protones + m neutrones.
Algunas ecuaciones utiles son:
Z = p+
A = Z + N (siendo N el número de neutrones en el núcleo)
N = A - Z
Z = A- N
Para un átomo neutro existe igualdad entre el número de protones del núcleo y los electrones de la órbita. Si tenemos un catión (ión positivo, X+), significa que ha perdido algunos electrones. Si tenemos un anión (ión negativo, X-), significa que ha ganado algunos electrones. Así:
a) el número de electrones será Z + el valor del anión (e = Z+ valor catión)
b) el número de electrones será Z - el valor del catión (e = Z - valor anión)
http://youtu.be/lv0_OYKdmdw
