Guía de estudio Primero MedioUnidad 0 – “Química”.

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Objetivos:

1. Analizar históricamente el concepto y modelos de átomos.2. Describir el modelo atómico de Dalton3. Analizar los aportes del modelo de Thomson4. Valorar los experimentos de Rutherford5. Describen el modelo atómico de Bohr7. Comparar los diferentes modelos atómicos, estableciendo semejanzas y diferencias..

VISIÓN HISTÓRICA DEL ESTUDIO DEL ÁTOMO

¿Quiénes fueron los primeros en hablar del átomo?

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 440 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 Teoría de los cuatro elementos Todo el universo está formado por átomos y vacío. El átomo es la partícula más pequeña de la materia. Los átomos son indivisibles, invisibles e indestructibles. Las propiedades de la materia varían según cómo se

agrupen los átomos que la componen.

No hay límites para dividir la materia. Todas las sustancias están constituidas por la

combinación de cuatro elementos: agua, fuego, aire y tierra, los cuales se forman por estados intermedios: frío, húmedo, seco y cálido.

¿Cómo contribuyó Dalton al conocimiento del átomo?

Tuvieron que pasar más de 2 000 años desde Demócrito para que el químico y matemático John Dalton propusiera una hipótesis del átomo, basada en evidencia experimental. ¡Imagínate, desde que nació Cristo hasta ahora han pasado más de 2 000 años! ¿Te imaginas qué hubiera ocurrido si le hubiesen creído antes a Demócrito? Fue así que en 1808, este destacado científico inglés postuló la primera teoría atómica. A continuación, se describen sus principales postulados:

1. La materia se compone de partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.2. Los átomos de un elemento son idénticos entre sí, en masa y en otras propiedades. (Los átomos de elementos diferentes tienen masas y tamaños distintos).3. Los átomos de más de un elemento se combinan para formar compuestos, en una relación de números enteros

y sencillos. 4. Los átomos de un elemento no pueden transformarse en átomos de otro elemento mediante reacciones

químicas. Los átomos no se crean ni se destruyen, solo se intercambian o redistribuyen, por lo que no hay pérdida de masa.

¿Qué aciertos y debilidades tuvo la teoría de Dalton?

La reaparición del concepto de átomo y los postulados planteados por 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.

La siguiente tabla resume los principales aciertos y debilidades de la teoría atómica de Dalton:

Aciertos Debilidades• La materia se compone de partículas muy pequeñas

llamadas átomos.• Planteó que los átomos no se pueden dividir. Hoy se

sabe que los átomos sí son divisibles; poseen una

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

• En una reacción química no existe pérdida de masa.• La proporción de los elementos (átomos) en un

compuesto es igual a la proporción de sus masas. Por ejemplo:

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.

Naturaleza eléctrica de la materia

John Dalton fue, sin duda, un gran aporte para el desarrollo de la química. Sin embargo, sus postulados se basaron simplemente en la observación macroscópica. 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. En la unidad 3 estudiamos que en 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. Recordemos mediante una experiencia la electrización de los cuerpos.

La materia posee una propiedad llamada carga eléctrica. Las propiedades de los cuerpos cargados se deben a dos tipos de carga:positiva y negativa. Si la carga de dos cuerpos que se encuentran en contacto es distinta, se atraen; y si son iguales, se repelen. Sin embargo, por lo general, la materia es eléctricamente neutra.

Thomson: primer modelo atómico

En 1897, el físico inglés Joseph Thomson (1856-1940), interesado en estudiar las propiedades de los rayos catódicos, usó tubos diseñados por Crookes, aplicando simultáneamente campos eléctricos y magnéticos sobre las cargas. Esto entregaría mayor información acerca de su comportamiento. El siguiente esquema describe el experimento desarrollado por Thomson.

A partir de esta experiencia, Thomson dedujo que la desviación que sufrían los rayos catódicos se debía a la presencia de partículas con cargas opuestas a la placa, es decir, cargas eléctricas negativas, a las que llamó electrones. ¿Recuerdas los televisores antiguos? Los primeros televisores se construyeron basándose en el modelo del tubo de Thomson.

Gotitas de aceite: experiencia de Millikan

Thomson 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 Thomson y Millikan. Este último también obtuvo el premio Nobel de Física, en 1923.

¿En qué consistió el modelo atómico de Thomson?

En 1904, Thomson contaba con las evidencias suficientes para desarrollar el primer modelo atómico. Según él, el átomo era una esfera de materia con carga positiva uniforme, en la que se insertaban las cargas negativas, es decir, los electrones, lo que explicaba la neutralidad eléctrica de la materia. Este modelo es conocido como budín de pasas, por analogía con el tradicional postre inglés.Los planteamientos del modelo de Thomson son los siguientes:

El átomo

Es divisible porque posee partículas en su interior. Está formado por electrones que poseen carga eléctrica negativa. Consiste en una esfera, uniforme, con carga eléctrica positiva, en la que se encuentran incrustados los electrones. Es eléctricamente neutro.

¿Qué pasaba con las cargas positivas?

Si ya se había comprobado que existían las cargas negativas, a las que llamaron electrones, ¿qué pasaba con las cargas positivas? El físico alemán Eugen Goldstein (1850-1930) realizó algunas modificaciones al diseño original del tubo de rayos catódicos. El nuevo tubo presentaba el cátodo perforado y, en lugar de vacío, contenía distintos gases. Así Goldstein descubrió unos rayos que se desplazaban en sentido contrario a los rayos catódicos, por lo que debían ser positivos, y los llamó rayos anódicos o canales. Con estas observaciones, descubrió los protones. Sin embargo, aún desconocía su ubicación.

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

En 1910, el físico y químico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) y sus colaboradores, Hans Geiger (1882-1945) y Ernest Marsden (1889-1970), realizaron un experimento que entregó nuevas ideas en torno al átomo. Este consistió en bombardear con partículas alfa, provenientes de una fuente radiactiva, una lámina muy delgada de oro, detrás de la cual había una placa fotográfica. Enla siguiente imagen, se representa un esquema del experimento realizado por Rutherford:

En su experimento, Rutherford observó que la mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse. En tanto, unas pocas se desviaban en diferentes ángulos y otras rebotaban. Con estos resultados planteó su modelo atómico, conocido como modelo planetario o nuclear.

Modelo atómico planetario

Los planteamientos del modelo de Rutherford son los siguientes:

El átomo está formado por dos regiones: un núcleo y la corteza. En el núcleo se concentra la carga positiva (protones) y la mayor parte

de la masa del átomo. En la corteza, girando alrededor del núcleo, se encuentran los

electrones con carga eléctrica negativa.

Uno de los problemas del modelo de Rutherford fue que 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).

Y la investigación continúa: modelo de Bohr

¿Te has preguntado cómo se producen los colores de los fuegos artificiales?, o ¿cómo algunos tubos de vidrio emiten luces de distintos colores? Las respuestas se relacionan con los estudios de Niels Bohr. Antes de conocer sus aportes, veamos otro descubrimiento que fue importante para su modelo.

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 neutronesposeen una masa relativamente mayor que la masa de un protón, por lo tanto, la masa total del átomo dependerá de la cantidad de neutrones.

Modelo atómico de Bohr

Mientras estudiaba el comportamiento del átomo de hidrógeno, Niels Bohr (1885-1962) propuso lo siguiente:

Los electrones se ubican y giran en regiones específicas fuera del núcleo, llamadas órbitas.

Cada órbita presenta una cantidad de energía particular (n), siendo la de menor energía la que está más cerca del núcleo (estado fundamental). A medida que el electrón se aleja del núcleo, se ubica en órbitas de mayor energía.

Un electrón, al absorber energía, puede saltar de una órbita de menor energía a otra de mayor energía (estado excitado).

Al retornar a su órbita de menor energía, el electrón emite energía en forma de luz.

Modelo Atómico Cuántico

A todo electrón en movimiento está asociada una onda característica (principio de dualidad).

Podemos determinar su comportamiento de onda y su energía, sin embargo, no hay posibilidad de decir exactamente dónde está el electrón. Además de esto, considerándose al electrón una partícula, esta es tan pequeña que, si intentásemos determinar su posición y velocidad en un determinado instante, los propios instrumentos de medición irían a alterar esas determinaciones.

Así es que Heisenberg enunció el llamado “Principio de Incertidumbre”: No es posible determinar la velocidad y la posición de un electrón, simultáneamente, en un mismo instante.

En 1926, Erwin Schrödinger, debido a la imposibilidad de calcular la posición exacta de un electrón en la electrósfera, desarrolló una ecuación de ondas (ecuación muy compleja, envolviendo el cálculo avanzado y no intentaremos desarrollarla aquí), que permitía determinar la probabilidad de encontrar el electrón en una región dada del espacio.

Así, tenemos que la región del espacio donde es máxima la probabilidad de encontrar el electrón es llamada de Orbital.

Podemos concluir que Erwin Schrödinger, físico austríaco, en 1926 desarrolló un modelo atómico cuántico, que incorporó el concepto de orbital como la región del espacio con mayor probabilidad de presencia del electrón. A diferencia de los modelos anteriores que postulaban que los electrones describen órbitas semejantes a las que describen los planetas alrededor de una estrella, la posición de un planeta y su velocidad se pueden determinar, a diferencia de la posición y velocidad de un electron.

Modelos que muestra los electrones que se desplazan en orbitas

Modelos que muestra los electrones que se desplazan en orbitales

ACTIVIDADES

Nombre: ______________________________________________________ Curso: ______ Fecha: ________ Puntaje: _____ Nota: ________

Instrucciones

1. Lea comprensivamente esta guía, a partir de la cual podrá realizar las siguientes actividades.2. Solo responda en los espacios indicados.3. El puntaje total de esta guía es de 45 puntos4. Esta actividad tiene un nivel de exigencia del 60% para la nota 4,0.5. La guía deberá ser renombrada de la siguiente forma: Curso, guión bajo, Ciencias, guión bajo, nombre de la alumna. Por ejemplo: 2A_Ciencias_Romina Cifuentes6. Una vez que haya terminado deberá enviar esta guía con sus respuestas los siguientes correos electrónicos: - Las alumnas del 1 medio C y E al Profesor Carlos Pino = carlos.pino@colegioprovidencialaserena.cl - Las alumnas del 1 medio A, B y D a la Profesora Karime Pérez = karime.perez@colegioprovidencialaserena.cl

Por muchos siglos, desde los tiempos de los griegos unos 440 años antes de Cristo, las personas se han preguntado sobre cómo está conformada la materia. En esa época, las grandes disputas filosóficas sobre el tema las enfrentaron dos conocidos personajes: Demócrito y Aristóteles.

Aristóteles planteaba que toda la materia que nos rodea está constituida de cuatro elementos esenciales: el fuego, el agua, el aire y la tierra. Para Aristóteles, la materia era una combinación de estos elementos. Sin embargo, Demócrito no estaba de acuerdo con Aristóteles. Él planteaba el siguiente ejercicio filosófico: ¿qué sucede si un material (como podría ser un pedazo de papel) lo corto cada vez en pedazos más pequeños?, ¿será posible que en algún momento ya no se pueda seguir trozando?, ¿será posible que en algún momento se llegue a una partícula tan diminuta que constituya las bases de la materia? Demócrito así lo creía. Él no pudo demostrar nunca lo que pensaba, ya que aún no se había desarrollado el método científico. Sin embargo, dejó planteada esta incógnita. Incluso la palabra átomo que hoy usamos viene de los tiempos de Demócrito. Átomo significa indivisible en griego. Ese es el término que se usó para describir esta partícula hipotética que era la base de toda la materia.

1. ¿Quién fue Demócrito? (2 puntos)

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2. ¿Cuál era la idea principal que planteaba Demócrito sobre la materia? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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3. ¿Qué importancia tuvieron sus ideas sobre concepto de la materia que se tenía en esa época? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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Muchos años pasaron y no fue sino hasta cerca del 1770 que, John Dalton, un químico y profesor inglés retomó las ideas de Demócrito y las volvió a poner en el debate público. Dalton realizó muchos experimentos que Demócrito no pudo hacer. Finalmente experimentando con barras de oro, Dalton concluyó que se llegaba a un punto en que la barra de oro no se podía seguir dividiendo más. Para él, esto fue la evidencia de que existía el átomo de oro.

Dalton usó esferas como modelos para representar el átomo. Así nace el primer modelo atómico. ¡Una simple esfera!

4. ¿Cuál es el aporte de Dalton a la teoría atómica? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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5. ¿Cuál es la gran diferencia entre lo que logró Dalton en comparación con Demócrito? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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Unos 100 años después, en 1897 (aproximadamente), John Thomson, un científico británico, también realizó variados experimentos para lograr comprender cómo eran los átomos. Él usó un tubo de vidrio al vacío con dos placas metálicas en su interior, una con carga positiva y la otra con carga negativa. Este montaje se llamó el “experimento de los rayos catódicos”. A través de este experimento, Thomson demostró que en el átomo había partículas diminutas que estaban cargadas negativamente. Como el átomo era neutro, Thomson concluyó que el átomo debía ser positivo para poder neutralizar las partículas negativas. En este experimento se descubrió el electrón. Thomson ilustró un nuevo modelo del átomo donde los electrones aparecen incrustados en la esfera del modelo de Dalton. La esfera misma, planteó Thomson, es positiva, y los electrones son diminutas subpartículas negativas que se encuentran incrustadas en esta esfera. ¡El modelo que él presentaba se parecía mucho a una galleta de chocolates!, donde la galleta era la esfera positiva y los trocitos de chocolate los electrones negativos.

6. Compare el modelo de Thomson con el de Dalton ¿En qué se parecen? ¿En qué se diferencian? (4 puntos)___________________________________________________________________________________________

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7. ¿Qué partícula descubrió Thomson con su experimento? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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Unos pocos años después, en 1909, un discípulo de Thomson, Ernest Rutherford, también se dedicó a experimentar con átomos. Su experimento llamado el “experimento de la lámina de oro” demostró que los electrones no se encontraban incrustados en esta esfera positiva, como planteó Thomson. Rutherford postuló un modelo atómico totalmente diferente a lo que hasta ese momento existía. Un modelo muy similar al sistema solar. En este modelo en el centro del átomo estaba la mayor parte de la masa del átomo y era positiva. Esto se llamó el núcleo y se llamaron protones a las partículas que se encontraban al interior del núcleo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo, tal como los planetas orbitan alrededor del sol.

8. Nombre dos diferencias entre el modelo atómico de Thomson y el de Rutherford (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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9. Nombre dos similitudes entre el modelo atómico de Thomson y el de Rutherford (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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10. ¿Cuáles fueron los dos grandes aportes de Rutherford a la teoría atómica? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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A comienzos del siglo XX, muchos científicos estaban enfrascados en una gran carrera simultánea por descubrir más sobre el átomo. Unos pocos años después de Rutherford, en 1913, Ernest Bohr, un físico danés, también realizó una serie de experimentos y modificó el modelo propuesto por Rutherford. Se agregó a este modelo la forma en que los electrones orbitan alrededor del núcleo. Bohr planteó que los electrones se mueven en órbitas definidas y que incluso en estas órbitas se mueven una cantidad determinada de electrones. Bohr afirmó que la primera órbita es la más cercana al núcleo, la segunda se encuentra más lejos y así sucesivamente. Bohr también dijo que la primera órbita solo puede contener dos electrones, la segunda órbita un máximo de 8, la tercera órbita un máximo de 18. Además, pudo calcular el máximo de electrones para todas las órbitas.En este modelo, Bohr planteó que hay un orden para la ubicación de los electrones en las órbitas. Éstos se ubican siempre partiendo desde la primera órbita y solo cuando ésta se llena, los electrones se ubican en la segunda hasta completarla, solo entonces se posicionan en la tercera órbita, y así sucesivamente.

11. Nombre dos diferencias entre el modelo atómico de Rutherford y el de Bohr (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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12. Nombre dos similitudes entre el modelo atómico de Rutherford y el de Bohr (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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13. ¿Cuáles fueron los dos grandes aportes de Bohr a la teoría atómica? (2 puntos)___________________________________________________________________________________________

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14. Confeccione una línea de tiempo con los aportes de cada uno de los personajes descritos en esta lectura. (5 puntos)

16. ¿Por qué cree usted que por tantos años no hubo aportes al desarrollo de la teoría atómica? (3 puntos)___________________________________________________________________________________________

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17. ¿Por qué es importante conocer la historia de lo que se ha pensado, experimentado, y propuesto en la ciencia, aunque en la actualidad nuestros conocimientos sobre el átomo pueden ser muy distintos al modelo propuesto por Bohr? (3 puntos)___________________________________________________________________________________________

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18. ¿Cómo cree usted que el desarrollo de la tecnología ha contribuido al desarrollo del conocimiento científico? (3 puntos)___________________________________________________________________________________________

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19. Después de lo que ha aprendido sobre la historia del desarrollo de la teoría atómica ¿cree usted que el término átomo sería adoptado hoy para describir a esta partícula? Fundamente su respuesta. (3 puntos)___________________________________________________________________________________________

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