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Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura

Universidad Nacional del Nordeste

Avenida Libertad 5450- 3400. Corrientes

TE: (03794)457996- Int. 105
QUIMICA

GENERAL
Unidad II: Estructura atómica de la materia

Dra. María Irene Vera

Profesora Titular

CARRERAS: Ingeniería en Electrónica- Ingeniería Eléctrica-

Ingeniería en Agrimensura

Profesorado en Física y Licenciatura en Física

2015

AL ALUMNO:

El apunte aquí desarrollado tiene como finalidad orientar la búsqueda bibliográfica que necesariamente se debe hacer en el estudio de un determinado contenido. De ninguna manera intenta reemplazar a un libro. Se sugiere tomarlo como guía y buscar los temas aquí tratados en la bibliografía sugerida, para elaborar un material personal de estudio para consulta y para el examen final de la asignatura.


Dra. María Irene Vera

Profesora Titular

Química General
UNIDAD II. ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA
Evolución del modelo atómico. Evidencias que muestran la complejidad del átomo. Modelo atómico de Rutherford – Bohr. El átomo de hidrógeno. Naturaleza de la luz. Espectros atómicos. Rayos X y el número atómico. Dualidad onda – partícula. Principio de incertidumbre de Heisenberg. Modelo atómico moderno.

.


BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA (disponible en Biblioteca)

Atkins, P. y Jones, L. Química. Moléculas. Materia. Cambio. Ediciones Omega S.A. Barcelona. España. 1998

Atkins, P. y Jones, L. “Principios de Química. Los caminos del descubrimiento”. Editorial Médica Panamericana.2007

Brown, T., LeMay, H., Bursten, B. “Química la Ciencia Central. Prentice Hall Hispanoamericana S.A. México. 2004.

Chang, R.Química”. McGraw-Hill Interamericana de México, S.A. de C. V. México. 2010

Whitten, K., Davis, R., Peck, M. Química General. McGraw-Hill/Interamericana de España S.A.U. 2008.

ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA

Modelos atómicos
Un modelo atómico es una representación gráfica de la estructura que tienen los átomos. Un modelo atómico lo que representa es una explicación o esquema de cómo se comportan los átomos.

Históricamente se han propuesto diferentes modelos atómicos hasta el modelo atómico actual, los que se presentan en los siguientes gráficos:

 





 Recordemos que Demócrito desarrolló la “Teoría Atómica Del Universo”. Fue el primer filósofo científico que afirmó que los átomos son eternos, inmutables e indivisibles, es decir, que duran siempre, que no cambian y que no pueden dividirse en partículas más pequeñas. Para Demócrito el átomo era la partícula más pequeña que había, de hecho la palabra “átomo” proviene del griego “á-tómo” que significa “sin división”. 

Teoría atómica de Dalton

Entre 1803 y 1807, John Dalton, un científico inglés, formuló una definición precisa sobre los átomos y este trabajo marcó el comienzo de la Química Moderna. Dalton diseñó su teoría atómica, para poder explicar varias observaciones experimentales.

Los siguientes postulados (afirmaciones o supuestos) resumen la esencia de la Teoría Atómica de Dalton:

1-Cada elemento se compone de partículas extremadamente pequeñas, llamadas átomos.

2- Los átomos de un elemento dado son idénticos; los átomos de elementos diferentes son diferentes y tienen propiedades distintas (incluida la masa).

3- Los átomos no se crean ni destruyen en las reacciones químicas, ni se transforman en átomos diferentes.

4-Se forman compuestos cuando se combinan átomos de más de un elemento; y lo hacen en una proporción numérica sencilla. Un compuesto dado, siempre tiene el mismo número relativo y clase de átomos.

Algunas de las ideas de Dalton, no pudieron ser comprobadas o refutadas experimentalmente en esa época. Aun con sus limitaciones, las ideas de Dalton dieron una base que científicos posteriores pudieron modificar o extender. No hay más dudas acerca de la existencia de los átomos y que ellos son las unidades que componen los elementos.

Dalton es considerado el padre de la Teoría Atómica Moderna.

Tanto Dalton como Demócrito ya se adelantaban y ya vislumbraban el Principio de Conservación de la Energía en donde nada se crea ni se destruye, pero ambos modelos tienen insuficiencias o errores que se conocieron mucho después y es que los átomos sí pueden cambiar y también pueden dividirse en partículas más pequeñas. 

   El átomo no es la partícula más pequeña. Sabemos que existen partículas subatómicas (que significa más pequeño que el átomo) como por ejemplo –además de los protones, neutrones y electrones- los “quarks”, los “neutrinos” o los “bosones”. 

Modelo atómico de Thomson

Los experimentos de Thomson sobre los rayos catódicos en campos magnéticos y eléctricos dieron pie al descubrimiento del electrón e hizo posible medir la relación entre su carga y su masa; el experimento de la gota de aceite de Millikan proporcionó la masa del electrón; el descubrimiento de la radioactividad (la emisión espontánea de radiación por átomos) fue una prueba adicional de que el átomo tiene una subestructura.

Una vez considerado el electrón como una partícula fundamental de la materia existente en todos los átomos, los físicos atómicos empezaron a especular sobre cómo estaban incorporadas estas partículas dentro de los átomos.

El modelo comúnmente aceptado era el que a principios del siglo XX propuso Joseph John Thomson, quién pensó que la carga positiva necesaria para contrarrestar la carga negativa de los electrones en un átomo neutro estaba en forma de nube difusa, de manera que el átomo consistía en una esfera de carga eléctrica positiva, en la cual estaban embebidos los electrones en número suficiente para neutralizar la carga positiva.



El error que cometió Thomson fue que hizo suposiciones incorrectas de cómo se distribuía la carga positiva en el interior del átomo. 

Modelo atómico de Rutherford

Para Ernest Rutherford, el átomo era un sistema planetario de electrones girando alrededor de un núcleo atómico pesado y con carga eléctrica positiva. Fue el primero de todos en definir un modelo atómico en el que pudo demostrar que un átomo está compuesto de un núcleo y una corteza.

El modelo atómico de Rutherford puede resumirse en los siguientes postulados:

  • El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo.

  • Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares.

  • La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro.

Rutherford no solo dio una idea de cómo estaba organizado un átomo, sino que también calculó cuidadosamente su tamaño (un diámetro del orden de 10-10 m) y el de su núcleo (un diámetro del orden de 10-14m). El hecho de que el núcleo tenga un diámetro unas diez mil veces menor que el átomo supone una gran cantidad de espacio vacío en la organización atómica de la materia.

Este modelo dado por Rutherford se llama modelo atómico nuclear.



Los estudios de Rutherford demostraron que el átomo estaba vacío en su mayor parte ya que el núcleo abarcaba casi el 100% de la masa del átomo.

Para analizar cuál era la estructura del átomo, Rutherford diseñó un experimento:

El experimento consistía en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). De ser correcto el modelo atómico de Thomson, el haz de partículas debería atravesar la lámina sin sufrir desviaciones significativas a su trayectoria. Rutherford observó que un alto porcentaje de partículas atravesaban la lámina sin sufrir una desviación apreciable, pero un cierto número de ellas era desviado significativamente, a veces bajo ángulos de difusión mayores de 90 grados. Tales desviaciones no podrían ocurrir si el modelo de Thomson fuese correcto.



Evidencias que muestran la complejidad del átomo

Gran parte del desarrollo de la teoría atómica moderna se basó en dos amplios tipos de investigación realizados por científicos en torno a 1900. El primer tipo trata de la naturaleza eléctrica de la materia. Estos estudios condujeron a los científicos a reconocer que los átomos es­tán compuestos de partículas fundamentales, y les ayudaron a describir las disposiciones aproximadas de estas partículas en los átomos.

La segun­da área de investigación trataba la interacción de la materia con la energía en forma de luz. Esta investigación incluía estudios de los colores de la luz que las sustancias emiten o absorben. Estos estudios condujeron a una comprensión mucho más detallada de las disposiciones de las partículas en los átomos. Quedó claro que la disposición de las partículas determina las propiedades químicas y físicas de cada elemento.

El modelo de las moléculas que se comportan como pelotas que rebotan (siglo XIX) podía explicar algunas propiedades macroscópicas como la presión de los gases, pero nada decía acerca de la fuerza que mantenía unidos a los átomos en las moléculas. Pasó mucho tiempo para que se descubriera y aceptara que las propiedades de los átomos y de las moléculas no son gobernadas por las mismas leyes físicas que rigen a los objetos más grandes. La nueva era de la física, comenzó en 1900 con el físico alemán Max Planck al examinar los datos de la radiación que emitían los sólidos calentados a diferentes temperaturas. Planck descubrió que los átomos y las moléculas emiten energía sólo en cantidades discretas o cuantos. Hasta ese momento se asumía que la energía era un proceso continuo y que en la radiación se podía liberar cualquier cantidad de energía.

Para entender la estructura interna de los átomos y su relación con las propiedades de los elementos, se debe comprender la estructura electrónica de los átomos, es decir, cómo se disponen los electrones alrededor del núcleo. Cuando Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo a comienzos del siglo XX, pretendió utilizar la mecánica clásica (leyes de Newton) para describir su estructura electrónica. Pero pronto se evidenció que la mecánica clásica fracasa cuando se aplica a los electrones en los átomos. Debían desarrollarse nuevas leyes, que luego fueron conocidas como mecánica cuántica. Para investigar la estructura interna de los átomos, se estudian las propiedades de la radiación electromagnética que ellos emiten. La espectroscopia es una rama de la química que analiza la radiación electromagnética emitida o absorbida por las sustancias; la espectroscopia aplicada a los átomos se denomina espectroscopia atómica.

Características de la radiación electromagnética

La luz es una radiación electromagnética, es decir, una onda de campos eléctricos y magnéticos. Las ondas electromagnéticas propagan energía mediante la vibración de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí. Las características que las definen y diferencian son:

Longitud de onda (λ). Es la distancia mínima entre dos puntos que están en el mismo estado de vibración.

Frecuencia (ν). Número de ciclos por unidad de tiempo. Su unidad en el SI es el hertz o hercio (Hz), equivalente a un (ciclo) s-1 (1 Hz = 1 ciclo/s). El término ciclo se omite y la frecuencia se expresa como: 1Hz = 1 s-1. Una frecuencia  = 25/s ó 25 s-1 se lee “25 por segundo”.

La relación de la longitud de onda con la frecuencia es la siguiente:

λ=c/ν

donde c es la velocidad de la luz.(c= 3 · 108 m/s)



Son ejemplos de radiaciones electromagnéticas la luz visible, ondas de radio, rayos X, microondas, etc. estas formas de radiación, transfieren energía desde una región del espacio hasta otra.

Una razón por la que una radiación electromagnética es una buena herramienta para el estudio de los átomos, es que un campo eléctrico ejerce acciones sobre las partículas cargadas como los electrones. Cuando un rayo de luz pasa por donde está un electrón, su campo eléctrico impulsa al electrón, una y otra vez, primero en una dirección y luego en la dirección opuesta.

La onda se caracteriza por su amplitud y su longitud de onda. La amplitud es la altura de la onda por sobre la línea central. El cuadrado de la amplitud determina la intensidad o brillo de la radiación. La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos picos (crestas o valles). La longitud de onda de las ondas electromagnéticas se expresa comúnmente en nanómetros (nm). Las longitudes de onda de la luz visible son cercanas a 500 nm.



Diferentes longitudes de onda de la radiación electromagnética corresponden a diferentes regiones del espectro. Nuestros ojos detectan radiación electromagnética con longitudes de onda comprendidas en el rango de 700 nm (luz roja) a 400 nm (luz violeta), rango denominado luz visible y la frecuencia de la luz visible determina su color. La luz blanca, que incluye a la luz solar, es una mezcla de todas las longitudes de onda de la luz visible.



Se cumple la relación: c = λ.  ; por lo tanto a una longitud de onda corta corresponde una radiación de alta frecuencia y a una longitud de onda larga corresponde una radiación de baja frecuencia.

Por ejemplo, para hallar la λ de la luz azul de frecuencia 6,4 x 1014 Hz, se aplica λ = c/;

= 4,7 x 10-7 m (470 nm).

Ejercicio: a) calcule las longitudes de onda de las luces del semáforo a partir de los datos de frecuencia: verde,  = 5,75 x 1014 Hz; amarillo,  = 5, 15 x 1014 Hz; rojo,  =4,27x1014 Hz.;

b) Cuál es la longitud de onda de una estación de radio que transmite a 98,4 MHz. (1MHz = 106 Hz)

La radiación ultravioleta, es radiación de frecuencia mayor que la de la luz violeta, su longitud de onda es algo menor que 400 nm. Este componente perjudicial de la radiación solar es el responsable del bronceado y de las quemaduras de sol; la capa de ozono impide que alcance la superficie de la tierra en grandes cantidades. La radiación infrarroja, que experimentamos como calor tiene frecuencia menor y longitud de onda más larga que la luz roja; su longitud de onda es un poco mayor de 800 nm. Las microondas que se utilizan en radares y en hornos de microondas, poseen longitudes de onda comprendidas en el rango del milímetro al centímetro.
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