1Colegio SAN MARCOS 2 AoCartilla terico-prctica de QUMICA

UNIDAD 2

Estructura de la materia. Modelos atmicos.

Contenidos

La naturaleza elctrica de la materia. Modelos atmicos: Thomson, Rutherford, Bohr. Nivelesde energa. Nociones sobre el modelo actual: partculas subatmicas (protones, electrones,neutrones y quarks). Concepto de elemento qumico.La tabla peridica: ordenamiento y clasificacin de los elementos. Grupos y perodos:elementos metlicos, no metlicos e inertes. Nmero atmico y nmero msico. Istopos.Interacciones entre los tomos: la regla del octeto. Enlace inico y covalente: simple, doble,triple y coordinado. Representaciones de Lewis para compuestos binarios y ternarios.

La naturaleza elctrica de la materiaDurante todo el siglo XIX y buena parte del XX, diversos descubrimientos condujeron a

los cientficos a demostrar el error de Dalton al formular en 1803, su hiptesis acerca de lanaturaleza de la materia. Los tomos no eran ni rgidos, ni indivisibles ni, mucho menos,indestructibles.

A mediados del siglo XIX, Michael Faraday empez a interesarse por el efecto queproduca la aplicacin de descargas elctricas de alto voltaje en gases que estabanencerrados en tubos de vidrio. Estos gases, que normalmente se consideraban aislantes,conducan la corriente elctrica. En 1855, el alemn Johann Geissler desarroll tubos de vidrioe invent la bomba de vaco capaz de obtener presiones equivalentes a una diezmilsima deatmsfera. En la misma poca, Heinrich Ruhmkorff cambi las bateras enormes que seusaban hasta entonces por una bobina a partir de la cual se podan producir descargar demiles de voltios.

A partir de estos tres avances, los nuevos tubos de descarga fueron muy utilizadosdurante la segunda mitad del siglo XIX por varios cientficos, entre ellos William Crookes. Estecientfico ingls observ que cuando conectaba el tubo a la bobina de Ruhmkorff, el gas emitauna luz de un color caracterstico. Si repeta el experimento pero con un gas a muy bajapresin, la luz desapareca y se produca una mancha luminiscente detrs del nodo. latribuy este fenmeno a la emisin de un tipo de rayos desconocidos hasta el momento. Paracomprobar la direccin de estos rayos, interpuso una mscara (una cruz de malta de estao)entre el ctodo y el nodo y volvi a repetir el experimento. Esta vez en el centro de la manchaluminiscente se vea la sombra de la cruz. Esto indicaba que los rayos no slo se dirigandesde el ctodo hacia el nodo, sino que lo hacan en forma rectilnea. Los rayos que Crookeshaba descubierto fueron bautizados, aos ms tarde, por el cientfico Eugen Goldstein comorayos catdicos, ya que se originan en el electrodo negativo (ctodo) y se dirigen al polopositivo (nodo).

Tubo de Crookes y bobina de Ruhmkorff.

2En el ao 1895, el fsico alemn Wilhelm von Rntgen descubri unos rayos que erancapaces de atravesar su mano, mucho ms penetrantes que los rayos catdicos. Los bautizcon el nombre de rayos X, como si fueran una incgnita matemtica.

Imagen observada por Rntgen. Rayos X

Modelos atmicosLuego del descubrimiento de los rayos catdicos y de los rayos X, por parte de William

Crookes y Wilhelm von Rntgen, respectivamente, se pens que se haba descubierto uncuarto estado de la materia: la materia radiante, y que los rayos que haba observadoCrookes se deban a una corriente de molculas del gas que se hallaba en el interior del tubo.Pero estaban equivocados.

En 1897 el fsico britnico Joseph Thomson retom los experimentos con los tubos deCrookes:

1) coloc a ambos lados del tubo y cerca del nodo dos placas metlicas, unacargada positivamente y la otra negativamente. En el camino de los rayos, interpuso una placacon una rendija central que permita el paso de un rayo ms limitado. Dentro de ese campoelctrico, los rayos se desviaban hacia el polo positivo. Dedujo entonces que las partculas queformaban los rayos tenan carga y que sta era negativa.

2) repiti el experimento pero esta vez puso en el centro del tubo un molinillo yobserv que ste giraba con el paso de los rayos. Esto significaba que las partculasconstituyentes del rayo tenan masa.

Thomson denomin a cada una de estas partculas electrn. Aunque no pudodeterminar la masa y la carga del electrn, logr establecer una relacin entre ambas cuandomidi la desviacin de los rayos catdicos producida en un campo magntico de intensidadconocida. Esta relacin carga/masa era, entonces:= 1,75881 10

Recin en 1909, el cientfico estadounidense Robert Millikan pudo determinar la cargadel electrn al medir el efecto que ejerca un campo elctrico sobre gotitas de aceite cargadas.El valor que obtuvo fue: = 1,6 10 .

Combinando el valor de la carga con el de la relacin obtenida por Thomson, tenemosel valor de la masa del electrn: = 9,1 10Modelo atmico de Thomson.

En 1904, un siglo despus que Dalton, Thomson ofreci una nueva explicacin acercade la estructura del tomo. Segn su teora, el tomo era una esfera en la cual las cargasnegativas o electrones se encontraban dispuestas entre un nmero igual de cargas positivasque formaban una masa slida. Este modelo se conoce como modelo del budn de pasas.

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Joseph Thomson y su propuesta del tomo.

Modelo atmico de Rutherford.

En 1886, Goldstein descubri los rayos canales o rayos andicos. Estos rayosestaban formados por partculas positivas, denominadas protones, que se dirigan hacia elctodo. Ms tarde se demostr que estas partculas tenan una masa 1837 veces mayor que lade un electrn.

A principios del siglo XX, Ernst Rutherford dise un experimento crucial. Una corrientede partculas alfa de muy alta energa sala por el orificio de una caja revestida en plomo ybombardeaba una hoja muy delgada de oro. Casi todas las partculas alfa atravesaban lalmina sin desviarse, algunas se desviaban un poco y muy pocas rebotaban en la lmina einvertan su trayectoria con un ngulo de 180.

Rutherford explic los resultados de su experiencia de la siguiente manera:

La mayora de las partculas alfa no se desviaban porque pasaban por losnumerosos espacios vacos existentes en los tomos.

Algunas sufran una ligera desviacin porque pasaban cerca de los ncleos. Unas pocas partculas chocaban directamente contra un ncleo y eran

repelidas.

A la luz de los resultados obtenidos, Rutherford afirm en 1911 que los tomos estnformados por un ncleo de tamao muy pequeo que concentra toda la masa y la cargapositiva. Los electrones giran a su alrededor en rbitas similares a las que describen losplanetas alrededor del Sol.

4Modelo atmico de Rutherford.En 1932, el fsico ingls James Chadwick descubri una partcula de masa similar a la

del protn, pero sin carga. La denomin neutrn. Esta partcula tambin est ubicada en elncleo del tomo.

Modelo atmico de Bohr.

En 1900, el fsico alemn Max Planck descubri que cualquier partcula (electrn,tomo, etc.) que oscila emite energa en forma de radiacin electromagntica, cuyo valor slopuede ser mltiplo de una cantidad discreta de energa a la que llam cuanto (del latnquantum: cantidad). Por lo tanto, la energa emitida por el electrn no poda ser continua. Sinproponrselo, Planck haba sentado las bases de la teora cuntica.

Trece aos despus el fsico dans Niels Bohr, discpulo de Rutherford, propuso unnuevo modelo atmico en el cual mantena la estructura planetaria pero introduca condicionessobre el comportamiento del electrn para adaptarlo a los principios enunciados por Planck.Segn este nuevo modelo:

Los electrones giran alrededor del ncleo en un nmero limitado de rbitas(niveles de energa) estables. Cada uno de esos niveles posee un valordeterminado de energa. Es decir, los electrones pueden situarse en uno o enotro nivel, pero no entre dos niveles.

Cuando los electrones se encuentran en sus rbitas (estado fundamental) noemiten energa. Slo ganan o pierden energa cuando pasan de una rbita aotra.

El electrn pasar a una rbita superior (estado excitado) cuando se lesuministre energa (cuando absorba un cuanto de energa).

Cuando el electrn vuelva a su estado fundamental emitir un cuanto deenerga (perder energa).

Modelo de Bohr. (1) Nivel de energa creciente.(2) Cuando el electrn vuelve al estado fundamental, emite un cuanto (fotn).

5Nociones sobre modelo atmico actual

En la actualidad se sabe que los quarks junto con los leptones son los constituyentesfundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera especficapara formar partculas tales como los protones y neutrones.

Los quarks son las nicas partculas fundamentales que interactan con las cuatrofuerzas fundamentales (nuclear dbil, nuclear fuerte, electromagntica y gravitatoria) y forman,junto a los leptones, la materia visible.

Hay seis tipos de quarks: up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange(extrao), top (cima) y bottom (fondo). Las variedades charm, strange, top y bottom son muyinestables, y se desintegraron en una fraccin de segundo despus del Big Bang. En cambio,las variedades up y down son estables y se mantienen, y se caracterizan, entre otras cosas,por su carga elctrica.

En la naturaleza no se encuentran quarks aislados, sino en forma de gruposdenominados hadrones de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones,respectivamente.

Clasificacin de las partculas subatmicas.

Agrupaciones de quarks, para formar un protn y un neutrn.

6Gua de estudio - Unidad 2La presente Gua de Estudio deber ser desarrollada ntegramente con lapicera (azul o negra)en hoja cuadriculada tamao A4.

1. Cmo se explican las diferencias entre los rayos catdicos y los rayos canales obtenidosen un tubo de descarga?

2. Quines determinaron la masa y la carga del electrn?3. Cmo es la masa del electrn comparada con la masa del protn o la del neutrn?4. Qu experiencia permiti asegurar que el ncleo de un tomo es mucho ms pequeo

que el mismo tomo?5. Cul fue la experiencia fundamental que hizo rechazar el modelo atmico de Thomson?6. Cules fueron las objeciones ms importantes que encontr el modelo atmico de

Rutherford?7. De acuerdo a los modelos atmicos de Rutherford y Bohr, cules son las partculas

nucleares, y cules las extranucleares?8. A qu se llama cuanto de energa?9. Qu son los quarks? Cuntos tipos hay?10. Indique para cada una de las siguientes afirmaciones si es vlida o no, justificando en

cada caso su respuesta.Para un tomo dado:

a.) Los protones ocupan la zona nuclear.b.) La masa de un protn es mucho menor que la masa de un neutrn.c.) Los electrones forman parte del ncleo del tomo.d.) Los neutrones ocupan la zona extranuclear.e.) La zona nuclear ocupa un pequeo volumen sin masa.f.) El protn est conformado por dos quarks up y un down.g.) El neutrn est conformado por dos quarks down y un leptn.