Subsector: Química Clase 02, Modelos precursores del modelo atómico actual.

Actividad Inicial

Observa atentamente las imágenes de modelos atómicos que se presentan a continuación. Ordénalas en forma cronológica del 1 al 4 y señala a los menos una característica de cada uno.

Construyendo el modelo atómico actual….

Toma una hoja de papel y divídela en dos. Luego, toma uno de los trozos y vuelve a dividirlo, y así sucesivamente hasta que no puedas cortarlo más. ¿Hasta dónde pudiste cortar el papel? Tal como en el ejercicio que acabas de hacer, alrededor del año 400 a. C., los filósofos griegos Leucipo y su discípulo Demócrito fueron los primeros en considerar que la materia debía estar formada por diminutas partículas indivisibles, es decir, que se podía dividir hasta un punto donde ya no se podía seguir haciéndolo. A esas partículas las llamaron átomos (del griego a = sin, tomos = división), y así surgió la teoría atómica. Sin embargo, otro filósofo griego, Aristóteles, rechazó la idea de que la materia estaba formada por partículas indivisibles (los átomos), planteando la llamada teoría de los cuatro elementos. Esta teoría, tomada de Empédocles, establecía que la materia era continua y estaba formada por cuatro elementos: agua, fuego, aire y tierra. Estos se producían por la combinación de dos propiedades opuestas, indicadas en la tabla del costado derecho. Como Aristóteles tuvo una gran influencia en la historia del conocimiento, la aceptación de su teoría permaneció por muchos siglos más, hasta el siglo XVII.

Teoría Atómica

- Todo el universo está formado por átomos y vacio

- El átomo es la partícula, más pequeña e indivisible, invisible e indestructible.

- Las propiedades de la materia varían según cómo se agrupen los átomos que la componen.

n = 1

n = 2 n = 3

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Dalton

Modelo atómico de Thomson

Modelo atómico de Bohr

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Teoría atómica de Dalton En 1805, La reaparición del concepto de átomo y los postulados planteados por John Dalton en su teoría atómica produjeron importantes avances para el desarrollo de la química del siglo XX. No obstante, su teoría también presentó algunos inconvenientes que luego fueron descubiertos.

Aciertos Errores

La materia se compone de partículas muy pequeñas llamadas átomos.

Los átomos de diferentes elementos se combinan en una razón de números enteros y sencillos.

Los átomos de un elemento son idénticos y poseen igual masa.

En una reacción química no existe pérdida de masa, porque se produce un reordenamiento de átomos. Lo que implica que la materia no se crea ni se destruye solo se transforma.

Planteó que los átomos no se pueden dividir. Hoy se sabe que los átomos sí son divisibles; poseen una estructura interna formada por otras partículas.

Indicó que los átomos de un mismo elemento no pueden presentar diferentes masa y propiedades. Hoy en día se conocen los isótopos.

Sostuvo que los átomos de un elemento no pueden convertirse en átomos de otro elemento. Hoy se conocen las reacciones nucleares.

No consideró la unión de dos átomos del mismo tipo (moléculas diatómicas), como el O2, H2 y N2, entre otras

A partir de la publicación de su teoría atómica, varios científicos de la época comenzaron a interesarse en estudiar la

estructura del átomo, generando diversos métodos e instrumentos para cumplir su propósito. A continuación revisaremos

algunos descubrimientos que facilitaron el desarrollo de los distintos modelos atómicos.

Electrización de los cuerpos

La relación entre los fenómenos eléctricos y la estructura de la materia

ha sido observada desde tiempos muy remotos, específicamente desde

el siglo V a. C., el filósofo y matemático Tales de Mileto observó que al

frotar ámbar con un trozo de piel o lana, este podía atraer pequeños

objetos, como plumas. De esta observación dedujo que la materia

poseía una naturaleza eléctrica.

A mediados del siglo XIX, varios científicos sospechaban que el átomo

presentaba una estructura más compleja, rechazando la idea de su

indivisibilidad. Uno de los experimentos de mayor trascendencia fue el realizado por el físico inglés William Crookes

(1832-1919), quien diseñó un dispositivo conocido como el tubo de Crookes, el cual se presenta a tu izquierda..

Primer Modelo Atómico, Joseph Thompson 1903

En 1903, Joseph Thomson (1856-1940), experimentando en un tubo de descarga, observó que con el paso de corriente eléctrica se producían unos rayos de luz dentro del tubo, a los cuales llamó rayos catódicos. Con esta experiencia demostró que los rayos eran haces de partículas con carga negativa, a los que llamó electrones (e–): Primeras partículas subatómicas confirmadas experimentalmente.

Experimento de Thompson

Modelo atómico de Thompson

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Fue realizado en un tubo de descarga formado por un tubo de vidrio y dos electrodos, uno positivo (ánodo) y uno negativo (cátodo), ambos conectados a una fuente de poder. Al cerrar el circuito se observa el paso de corriente eléctrica, al mismo tiempo que se producen “rayos” desde el cátodo (-) hacia el ánodo (+), a los que Thomson llamó rayos catódicos. En presencia de un campo magnético (imán), el haz de rayos catódicos se desvía confirmando la presencia de las cargas negativas. Thompson fue el primero en proponer un modelo estructural interno del átomo, postulando que:

- Es divisible porque posee partículas en su interior. - El átomo es una esfera compacta positiva en la

cual se encontrarían incrustados los electrones en distintos lugares.

- es eléctricamente neutro. Este modelo se conoce con el nombre de “budín de pasas”.

Avances en el descubrimiento de Partículas

Thompson no pudo determinar la carga y la masa del electrón por su cuenta. En 1911, el físico estadounidense Robert Millikan (1868-1953) logró medir la carga del electrón a través de su experimento de la “gota de aceite”, el que consistió en dejar caer gotas de aceite controlando su velocidad con un campo eléctrico. Al estar cargadas negativamente, las gotas caían más despacio ya que eran atraídas por las placas positivas. Cuando se igualaba la fuerza de gravedad con las fuerzas eléctricas, las gotas quedaban estacionarias. Así, se pudo calcular la carga y la masa del electrón empleando los resultados de Thompson y Millikan. Este último también obtuvo el premio Nobel de Física, en 1923

Qué pasaba con las cargas positivas? En 1886, el científico alemán, Eugen Goldstein, debido a la existencia de los rayos catódicos, hizo pensar a otros científicos de esa época, en la posibilidad de que también pudieran existir haces de partículas cargadas positivamente. Fue así como Goldstein, utilizando cátodos perforados, en tubos de descarga de los rayos catódicos, descubrió unos rayos positivos procedentes del ánodo y que llamó “rayos anódicos” o “canales”. La relación carga/masa de los rayos canales no es la misma, sino que depende del gas del que proceda. En cualquier caso, la masa era muy superior a la de los electrones, es decir, 1.840 veces mayor que la del electrón. Se llamó “protón” a la partícula positiva procedente del gas más ligero (el hidrógeno), cuya carga coincidía exactamente con la del electrón. Con este descubrimiento, se tuvo la certeza la existencia de los protones, pero no se sabía su ubicación en el átomo.

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Un cambio en la historia de la ciencia: modelo de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford y sus colaboradores realizaron el siguiente experimento:

Experimento de Rutherford Modelo atómico de Rutherford

El experimento consistía en bombardear una lámina de oro con partículas alfa emitidas por una sustancia radiactiva. Los resultados fueron los siguientes:

La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina. Una pequeña parte atravesaba la lámina con una

pequeña desviación. Una mínima parte chocaba con la lámina y se

devolvía hacia su origen.

El comportamiento de las partículas alfa contra la lámina de oro llevó a Rutherford a concluir que cada átomo estaría formado por una parte central, el núcleo, de carga positiva donde estaría concentrada la masa del átomo. Con ello explicaba la desviación de las partículas alfa (partículas de carga positiva). Los electrones se encontrarían en una estructura externa girando en órbitas circulares muy alejadas del núcleo, dejando un gran espacio libre que explicaría el paso mayoritario de las partículas alfa a través de la lámina de oro.

Estos resultados y el posterior descubrimiento del neutrón, por Chadwick, llevaron a Rutherford a postular un nuevo modelo atómico conocido como modelo planetario. Las principales características de este modelo son:

Características del átomo

Está formado por un núcleo y una envoltura. El tamaño total del átomo es 10.000 veces más

grande que su núcleo. En un átomo neutro, el número de protones es igual

al número de electrones.

Características del núcleo

Se ubica en el centro del átomo y posee casi toda la masa del átomo.

En él se encuentran los protones. Por lo tanto, Posee carga positiva.

Características de la envoltura

En ella están los electrones moviéndose a gran velocidad y a cierta distancia del núcleo.

Posee carga negativa debida a los electrones.

Algunas Limitaciones donde asumió

que los electrones giraban en órbitas circulares en torno al núcleo. Según esto, los electrones se deberían mover

a gran velocidad, lo que junto con la órbita que describen los haría perder energía colapsando con el núcleo. Hoy se sabe que esto no sucede.

Por otro lado, Rutherford asumió que el núcleo estaba formado solo por partículas positivas, pero luego se conocerían los neutrones (partículas neutras).

Por otra parte, en 1899, el físico-químico neozelandés, Ernest Rutherford, dio a conocer a través de sus experimentos la descomposición espontánea de los átomos en tres tipos de

radiación: alfa (α), beta (β) y gamma (γ), fenómeno que los esposos Marie y Pierre Curie, denominaron radiactividad. Estas observaciones llevaron a la convicción de que el átomo era una entidad compleja, capaz de emitir partículas más pequeñas y ligeras. Algunas de ellas, se desviaban al ser sometidas a placas con cargas.

Sustancia

radioactiva

Partículas alfa

Lámina de oro

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Una Partícula, Fundamental Los neutrones

Antes de su fallecimiento, Rutherford alcanzó a detectar que algunos elementos presentaban masas atómicas mayores que la suma de las masas de los protones y electrones. Fue así como en 1912, el físico inglés James Chadwick (1891-1974), alumno de Rutherford, descubrió los neutrones, validando la hipótesis de su maestro y explicando la diferencia en las masas de los átomos. Los neutrones poseen una masa relativamente mayor que la masa de un protón, por lo tanto, la masa total del átomo dependerá de la cantidad de neutrones.

Y la investigación continúa: modelo de Bohr

Rutherford al postular su modelo no tuvo en cuenta algunas investigaciones previas sobre la constitución del átomo y experimentaciones sobre la luz emitida o absorbida por las sustancias, las cuales indicaban algunos errores en su teoría. Uno de los errores del modelo atómico de Rutherford era postular que los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo y permanecen en estas órbitas. Tomando en cuenta estas observaciones, Niels Bohr (1885-1962) planteó un nuevo modelo atómico, el cual indicaba lo siguiente:

Los electrones giran en órbitas fijas y definidas, llamadas niveles de energía. Los electrones que se encuentran en niveles más cercanos al núcleo poseen menos energía de los que se encuentran

lejos de él. Cuando el electrón se encuentra en una órbita definida determinada no emite ni absorbe energía. Si el electrón absorbe energía de una fuente externa, puede “saltar” a un nivel de mayor energía. Si el electrón regresa a un nivel menor, debe emitir energía en forma de luz (radiación electromagnética).

Modelo atómico de Bohr

Espectros atómicos

Niels Bohr, para postular su modelo atómico, estudió el espectro atómico del átomo de hidrógeno. Él observó que cuando este átomo absorbía energía y luego la liberaba, lo hacía emitiendo radiaciones definidas, las cuales se veían en el espectro como cuatro líneas bien definidas.Un espectro atómico se produce al hacer pasar la luz emitida por un prisma. Así, la luz se descompone en radiación luminosa de diferentes colores, los que se reproducen en una pantalla en forma de rayas de distinta intensidad y color.

Emisión y absorción de luz

En condiciones normales, los electrones dentro de los átomos ocupan los niveles de más baja energía disponibles, y entonces decimos que el átomo está en su estado fundamental o basal. Sin embargo, los átomos pueden absorber energía de una fuente externa, como el calor de una llama o la energía eléctrica de una fuente de voltaje. Cuando esto sucede, la energía absorbida puede causar que uno o más electrones dentro del átomo se movilicen a niveles más altos de energía, y entonces decimos que el átomo está en un estado excitado. Como esta condición es inestable, energéticamente hablando, no es sostenible en el tiempo y los electrones retornan rápidamente a sus niveles de energía más bajo, liberando energía hacia el exterior, en forma de luz.

Absorción de luz

Los electrones pueden saltar a un nivel de mayor energía

sin pasar por estados intermedios. En este caso se dice que

el átomo se encuentra en estado excitado.

Para que un electrón que se encuentra inicialmente en la

primera órbita de un átomo (estado basal) pueda saltar a

la segunda órbita, nivel de energía mayor (estado

excitado), necesita ganar energía. Esto lo hace

absorbiendo una onda electromagnética que lleve la

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energía correspondiente a la diferencia de energía entre las dos órbitas, este proceso se conoce como

absorción.

Términos en teoría atómica

En el núcleo del átomo se pueden distinguir dos características: 1.- el número atómico y 2.- el número másico. 1.- El número atómico representa la cantidad de protones o cargas positivas que tiene el átomo en su núcleo y se simboliza con la letra Z. Determina, además, la identidad del átomo, porque es diferente para todos los elementos. En un átomo neutro, existe el mismo número de protones que de electrones y, por ello, en este tipo de átomos, el número atómico se puede encontrar a partir de:

Z = p+ = e-

2.- El número másico corresponde a la suma de protones y neutrones que se encuentran en el núcleo atómico y se simboliza con la letra A. Se puede hallar el número másico a partir de:

A = p+ + n n° = A - Z

Existe una forma de representar la estructura del átomo que permite observar la cantidad de partículas subatómicas que posee. A esta representación se le conoce como diagrama atómico (o simbología atómica, notación isotópica o simbología nuclear). A continuación te representó la composición del átomo. La letra X representa el símbolo químico del elemento, A es el número másico y Z el número atómico. A número másico

X símbolo químico del elemento D17

7

Z número atómico El número atómico (Z), corresponde al número de protones que posee el núcleo de un átomo y es lo que identifica a un

elemento. En un átomo neutro, la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones, es decir, cuando se

menciona que el átomo de sodio (Na) tiene un numero atómico 11, implica que en el núcleo de ese átomo existen 11

protones y, consecuentemente, 11 electrones en la electrósfera, siempre y cuando el átomo sea neutro.

El número másico (A), corresponde a la suma del número de protones y neutrones del núcleo atómico. Luego,

determina el peso del átomo.

Numero másico = protones + neutrones (A = p+ + n°)

Concepto de: 1.- ISÓTOPOS: son aquellos átomos del mismo elemento, es decir, que tienen el mismo número atómico, Z, (número de protones), pero diferente número másico, A, (es decir, distinto número de neutrones). Ejemplo

HHH 3

1

2

1

1

1

2.- ISOBAROS: son aquellos átomos de diferente elemento, es decir, con diferente número atómico, Z, pero que tienen igual número másico, A.

Ejemplo

3.- ISÓTONOS: son aquellos átomos de diferente elemento, es decir con distinto número atómico, Z, y con diferente número másico, A , pero con igual número de neutrones (n).

Ejemplo

H3

1 y He4

2

4.- ISOELECTRÓNICOS: son aquellas sustancias de diferentes elementos que presentan igual cantidad de electrones. Ejemplo

Mg24

12+2 y O16

8-2

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PONTE A PRUEBA

1.- El modelo atómico que suscitó la idea del átomo como estructura eléctrica fue el a) de Dalton. b) de Rutherford. c) de Bohr. d) mecánico cuántico. e) de Thomson.

2.- ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta respecto a los rayos alfa utilizados por Rutherford para su experimento de la lámina de oro? a) son un haz de partículas positivas b) se mueven de forma aleatoria c) poseen masa insignificante d) no poseen energía cinética e) siempre “rebotan” contra los átomos

3.- En relación al modelo atómico presentado:

a) corresponde al modelo de Rutherford b) permite diferenciar núcleo y corteza c) considera la existencia de los electrones d) permite identificar protones y neutrones e) reafirma que el átomo es indivisible

4 ¿Cuál es la importancia del descubrimiento de los rayos anódicos o canales?

a) se estableció la existencia de los electrones. b) permitió conocer la constitución de la

materia. c) reveló la existencia de partículas positivas

llamadas protones. d) se conoció la descomposición espontánea de

la materia. e) se estableció la existencia de los neutrones.

5.- Si el número de electrones de una especie cualquiera es 10, el de protones es 7 y el de neutrones es 7, se puede afirmar que se trata de a) una especie neutra b) un anión c) un catión d) un ión que ha perdido 3 electrones e) una especie que tiene el mismo número de electrones que el Helio.

6.- Si en un átomo cualquiera su núcleo presenta valores Z=19 y A=39, entonces la cantidad de neutrones presentes corresponderá a: a) 19 b) 20 c) 30 d) 39 e) 58

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7.- La siguiente figura representa un ión:

Al respecto, es correcto afirmar que: I. se trata de un anión II. se trata de un catión III. presenta carga +1 a) solo I b) solo II c) solo III d) I y III e) II y III

8.- La siguiente figura representa un átomo con sus partículas subatómicas:

Al respecto, es correcto afirmar que: I. el Z = 5 II. el A = 9 III. se trata de un átomo neutro a) solo I b) solo II c) solo III d) II y III e) I, II y III

9.- El número de electrones presentes en un ión X+5 con Z=20 y A=41 será a) 10 b) 15 c) 20 d) 25 e) 40

10.- En un átomo neutro con 22 electrones y 26 neutrones, su número atómico y numero másico son, respectivamente a) 22 y 26 b) 26 y 48 c) 26 y 22 d) 48 y 22 e) 22 y 48

11.- El ión

I. es un catión II. posee 36 electrones III. posee 43 neutrones Es o son correcta(s) a) solo I b) solo II c) solo III d) I y III e) II y III

12.- Para el elemento los valores de A, p+, n°

y e- son respectivamente: a) 40, 20, 20 y 18 b) 20, 20, 20 y 20 c) 40, 20, 20 y 20 d) 20, 18, 20 y 18 e) 40, 18, 20 y 20

13.- El modelo atómico de Bohr se denominó “estacionario” porque:

a) Los electrones siempre giran en las mismas

regiones y por lo tanto se mantienen estacionados en ellas.

b) Los electrones se mueven mientras el núcleo está estacionado.

c) Al absorber energía un electrón deja de moverse para poder pasar a otro nivel.

d) A pesar del movimiento de los electrones los átomos no se mueven.

e) Mientras los electrones se mantengan en el mismo nivel no ganan ni pierden energía.

14.- Todos los átomos del elemento nitrógeno tienen igual I. numero atómico II. numero másico III. configuración electrónica Es o son correcta(s) a) solo I b) solo II c) solo III d) I y II e) I y III

15.- La siguiente figura

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Representa una pareja de a) cationes b) aniones c) isótopos d) isótonos e) isóbaros

16.- El isótopo más abundante del aluminio es el , la

cantidad de p+, n° y e- del ión de este isótopo son:

a) 13, 14 y 10 b) 13, 14 y 13 c) 10, 14 y 13 d) 16, 14 y 10 e) 10, 40 y 10

17.- ¿Cuál es el Z de un átomo con 20 electrones y carga +3? a) 20 b) 17 c) 23 d) 60 e) 7

18.- Un átomo posee 19 protones, 20 neutrones y 19 electrones. ¿Cuál de los siguientes átomos es su isótono?

a)

b)

c)

d)

e)

19.- De acuerdo con los siguientes postulados atómicos y sus partículas: I. El átomo es una esfera indivisible y cada elemento

tiene un tipo de átomo con masa diferente de otro tipo de elemento.

II. Un electrón absorbe energía cuando salta de una órbita más interna para otra más externa.

III. El átomo posee dos regiones básicas: el núcleo y la electrósfera.

Las afirmaciones corresponden a las descripciones entregadas respectivamente por los científicos:

a) Dalton, Rutherford, Bohr. b) Lavoisier, Bohr, Rutherford. c) Proust, Lavoisier, Dalton. d) Lavoisier, Rutherford, Dalton. e) Dalton, Bohr, Rutherford.

20.- Un error en los postulados de Bohr fue asumir que:

a) Los electrones giran muy rápido en torno al núcleo. b) Los electrones giran en orbitas definidas alrededor del

núcleo. c) La energía de un electrón está cuantizada. d) En estado fundamental el electrón se encontrará muy

cercano al núcleo. e) Si un electrón recibe energía puede pasar a un nivel

superior.

21.- La siguiente tabla resume las características de tipos de átomos Al respecto, es correcto afirmar que los números 1, 2 y 3 corresponden, respectivamente, a a) b) c) d) e)