Los Átomos La diversidad de materiales presentes en la naturaleza y sus diferentes propiedades han...
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Los Átomos • La diversidad de materiales presentes en la naturaleza y sus diferentes propiedades han llevado al ser humano a buscar una explicación que lo lleve a conocimiento y comprensión de la naturaleza de la materia y su estructura. • Se hace entonces necesario pasar de una visión macroscópica a una visión microscópica del mundo material. Para esto el ser humano ha recurrido a modelos mentales simples para explicar la estructura interna de la materia.
Los Átomos La diversidad de materiales presentes en la naturaleza y sus diferentes propiedades han llevado al ser humano a buscar una explicación que lo
Los tomos La diversidad de materiales presentes en la
naturaleza y sus diferentes propiedades han llevado al ser humano a
buscar una explicacin que lo lleve a conocimiento y comprensin de
la naturaleza de la materia y su estructura. Se hace entonces
necesario pasar de una visin macroscpica a una visin microscpica
del mundo material. Para esto el ser humano ha recurrido a modelos
mentales simples para explicar la estructura interna de la
materia.
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Los tomos En la actualidad conocemos mucho de la estructura y
propiedades de los tomos; pero, Cmo se ha llegado a este
conocimiento?. Imaginemos que tenemos una caja con objetos
distintos, pero que no se nos permite abrirla; Qu haras para saber
su contenido?. Posiblemente realizaras una serie de pruebas como
agitar la caja de diferentes formas, escuchar los sonidos que se
generan al moverla, levantarla para sentir si hay objetos pesados o
livianos, etc. A partir de estas acciones tendrs una idea del
contenido de la caja y seguramente te atreveras a precisar el
nombre de algunos objetos en su interior e incluso hacer
predicciones del comportamiento de la caja.
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Los tomos Al igual que la caja, puesto que no podemos ver el
interior de los tomos, lo que hacemos es emplear nuestro sentidos y
herramientas para crear un modelo, que explique el comportamiento
de los mismos Los modelos cientficos son ideas o representaciones
que intentan explicar los fenmenos observados. Un modelo se puede
perfeccionar, cambiar o desechar si ya no cumple la funcin para lo
que fue propuesto. Desde tiempos antiguos se ha propuesto un modelo
de partculas (modelos atmicos) para explicar la estructura de la
materia. Este modelo se ha ido identificando y modificando en la
medida que el conocimiento cientfico ha avanzado.
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Los tomos Cinco siglos antes de Cristo, los filsofos griegos se
preguntaban si la materia poda ser dividida indefinidamente o si
llegara a un punto, que tales partculas, fueran indivisibles.
Basados en razonamientos lgicos, Leucipo (450 a. C.) y su discpulo
Demcrito (460-370 a. C.) propusieron que la materia estaba formada
por pequeas partculas indivisibles a las que llamaron tomos.
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Los tomos La teora atomstica de Demcrito y Leucipo dice as:
Toda la materia existente en el Universo esta formada por tomos
slidos. Entre los tomos existe slo vaco. Los tomos son eternos,
indivisibles, e invisibles. Los tomos de diferentes cuerpos
difieren entre s, por su forma, tamao y distribucin geomtrica. Las
propiedades de la materia varan segn el agrupamiento de los tomos.
Los tomos se diferencian en su forma y tamao Esta teora, al igual
que todas las teoras filosficas griegas, no apoya sus postulados
mediante experimentos, sino que se explica mediante razonamientos
lgicos.
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Los tomos Debido a la falta de pruebas experimentales, la idea
de tomo fue desaparecida durante los 2000 aos siguientes. El
desarrollo de la qumica tom un nuevo giro a partir de las
investigaciones de Antoine Lavoisier (1743-1794), quien realiz los
primeros experimentos qumicos realmente cuantitativos. Lavoisier
demostr que en una reaccin qumica la cantidad de materia es la
misma al comienzo y final de la reaccin. A partir de los resultados
de sus experimentos enunci la ley conocida como ley de la
conservacin de la materia, la cual establece: la materia no se crea
ni se destruye, slo se transforma. Por lo anterior, Lavoisier es
considerado padre de la qumica moderna.
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Los tomos Posteriormente, Joseph Proust (1754-1826), qumico
francs, a travs de sus experimentos concluy la composicin de una
sustancia pura es siempre la misma, independientemente del modo en
que se haya preparado o de su lugar de procedencia en la
naturaleza. As, por ejemplo, el agua pura contiene siempre un 11,2%
de hidrgeno y un 88,8% de oxgeno. Segn esto, para obtener en el
laboratorio 100 gramos de agua pura hay que hacer reaccionar las
cantidades mencionadas. Este hecho, comprobado en cientos de
compuestos, se conoce como la ley de las proporciones definidas y
se puede enunciar de dos formas: a) Cuando dos o ms elementos
qumicos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen
segn una relacin constante entre sus masas. b) Cuando un
determinado compuesto se separa en sus elementos, las masas de stos
se encuentran en una relacin constante que es independiente de cmo
se haya preparado el compuesto, de si se ha obtenido en el
laboratorio o de su procedencia. Las consecuencias de esta ley son
importantes para la qumica, no slo como mtodo para identificar un
compuesto, sino tambin para conocer las cantidades de las
sustancias que reaccionan entre s.
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Los tomos John Dalton (1766-1844), qumico y fsico britnico,
comprob en el laboratorio que, al hacer reaccionar cobre con oxgeno
en diferentes condiciones, se obtenan dos xidos de cobre diferentes
que, dependiendo de las condiciones, podan combinarse de forma
distinta, pero que sus masas siempre estaban en una relacin de
nmeros enteros. Lleg a la misma conclusin con otros experimentos
realizados en el laboratorio y propuso una tercera ley denominada
ley de las proporciones mltiples, cuyo enunciado puede ser de dos
formas: a) Los elementos se pueden combinar en ms de una proporcin,
y cada conjunto corresponde a un compuesto diferente. las
cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad
fija de otro para formar varios compuestos, estn en una relacin de
nmeros enteros sencillos 1:1, 2:1, 1:2, 1:3, 3:1, 2:3, 5:3,
etctera. En el dibujo, se puede observar que un tomo de oxgeno se
puede combinar con un tomo de cobre para para formar un xido de
cubre o bien, con dos tomos de cubre para formar otro xido de cobre
con caractersticas totalmente distintas al primero.
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Los tomos Con la informacin obtenida de las tres leyes
anteriores, a principios del siglo XIX (1803), John Dalton propone
un nuevo modelo sobre la estructura de la materia. Segn Dalton toda
la materia se poda dividir en dos grandes grupos: los elementos y
los compuestos. Los elementos estaran constituidos por unidades
fundamentales, que en honor a Demcrito, Dalton denomin tomos. Los
compuestos estaran formados de molculas, cuya estructura viene dada
por la unin de tomos en proporciones definidas y constantes.
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Los tomos Al modelo atmico de Dalton se le considera como la
primera teora moderna del tomo, que postula lo siguiente: La
materia est formada por pequeas partculas rgidas, esfricas e
indivisibles llamadas tomos. Los tomos son iguales para un mismo
elemento pero diferentes para otros, tanto en forma, tamao y masa
como en propiedades. Los tomos no se crean ni se destruyen ni se
transforman en otros tipos de tomos durante las reacciones qumicas,
sino simplemente se reordenan. Los tomos se pueden combinar para
formar molculas de dos o ms tomos y siempre lo hacen en
proporciones fijas de nmeros enteros positivos.
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Los tomos Con su teora del tomo, Dalton hizo referencia a las
leyes anteriormente descritas, y estableci una diferencia entre los
compuestos formados por un solo elemento y los formados por dos o
ms elementos diferentes, a los que llam molculas. Esta teora ayud a
explicar el comportamiento de la materia en diversas situaciones,
conjuntamente con algunos hechos experimentales. La teora atmica de
Dalton presentaba algunas imprecisiones, pues hoy sabemos que el
tomo si se puede dividir, y existen elementos iguales, pero con
masa distinta; Por ello, Dalton no lleg a presentar una propuesta
clara de la estructura del tomo.
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Los tomos A pesar de que la teora de Dalton era errnea en
varios aspectos, signific un avance cualitativo importante en el
camino de la comprensin de la estructura de la materia. Por
supuesto que la aceptacin del modelo de Dalton no fue inmediata,
muchos cientficos se resistieron durante muchos aos a reconocer la
existencia de dichas partculas (tomos). Debido a que John Dalton no
elabor ninguna hiptesis acerca de la estructura de los tomos, hubo
que esperar casi un siglo para que alguien expusiera un nuevo
modelo acerca de la estructura de la materia.
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Los tomos Otros cientficos despus de John Dalton realizaron
investigaciones sobre la estructura del tomo, que han permitido
descubrir, hasta el da de hoy, ms de 30 partculas ms pequeas que el
tomo, de las cuales las tres ms importantes son: el protn, electrn
y neutrn. La primer partcula ms pequea que el tomo fue descubierta
por Eugen Goldstein (1850-1930) en el ao de 1886. Utilizando un
tubo de rayos catdicos (ver figura) Goldstein observ que haba rayos
que se desviaban hacia el polo negativo del tubo (ctodo),
concluyendo que eran partculas con carga elctrica positiva, a las
que ms tarde se les denomin protones.
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Los tomos En el ao de 1897, J.J. Thomson (1856-1940) perfeccion
el tubo de rayos catdicos y con el descubri que el tomo, adems del
protn (carga elctrica positiva), posea unas partculas con carga
elctrica negativa, de masa mucho ms pequea de la del protn pero de
igual carga elctrica, a las que llam electrones; lo que lo llev a
concluir que el tomo es elctricamente neutro, por la igualdad entre
la magnitud de las cargas elctricas del protn y el electrn, pero
uno positivo y el otro negativo. tomando en cuenta su
descubrimiento, J.J. Thomson sugiere un modelo atmico que tomaba en
cuenta la existencia del electrn.
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Los tomos Su modelo atmico supona lo siguiente: Los electrones
estaban en reposo dentro del tomo y que el conjunto era
elctricamente neutro. Una nube positiva que contena las pequeas
partculas negativas (los electrones) suspendidos en ella. Lo
anterior era con la intencin de explicar la formacin de iones,
positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de
la estructura atmica. La propuesta de J.J. Thomson era algo similar
a un pastel con pasas donde el pastel es la nube positiva y las
pasas son los electrones. El nmero de cargas negativas era el
adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el
tomo perdiera un electrn, la estructura quedara positiva; y si
ganaba, la carga final sera negativa. De esta forma, explicaba la
formacin de iones; pero dej sin explicacin la existencia de las
otras radiaciones.
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Los tomos El modelo de J.J. Thomson fue el primer modelo atmico
para explicar la naturaleza elctrica de la materia. Con este modelo
se podan explicar una gran cantidad de fenmenos atmicos conocidos
hasta la fecha; por ejemplo, se logr explicar por qu los tomos slo
podan emitir partculas negativas y no positivas.
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Los tomos Hasta el momento conocemos dos partculas que forman
parte del tomo: los protones con carga elctrica positiva y los
electrones con carga elctrica negativa. En 1895, Wilhelm Roentgen
(1845- 1923) trabajando con diversas sustancias y utilizando tambin
un tubo de rayos catdicos, descubri una nueva clase de rayos. Para
observar mejor los nuevos rayos, cubri el tubo de rayos catdicos
con un cartn; accidentalmente interpuso su mano entre el tubo y el
cartn y pudo ver su mano reflejada en el cartn. Roentgen no tuvo
idea de la naturaleza de los rayos que acababa de descubrir y los
llam rayos X, los cuales tienen la capacidad de traspasar el papel,
la madera, la carne, etc., provocando la impresin de placas
fotogrficas.
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Los tomos Este acontecimiento marc una nueva era en la historia
del hombre. Los rayos X vinieron a revolucionar la medicina, ya que
con ellos, hoy en da, tenemos oportunidad de conocer las fracturas
de los huesos, la deteccin de tumores y otros padecimientos. Tambin
son utilizados en los aeropuertos para detectar la presencia de
metales, principalmente armas, en la industria de la construccin
para detectar fallas en las estructuras metlicas de los edificios,
etc. Su descubrimiento ha sido de mucho beneficio para la humanidad
y lo ms curioso es que Roentgen nunca patento su hallazgo y muri en
la miseria.
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Los tomos Poco despus de Roentgen Henry Becquerel (1852-1908),
fsico francs, comenz a investigar algunos elementos que tenan la
capacidad de emitir rayos X. Para ello utilizaba placas fotogrficas
envueltas en papel negro para evitar que la luz solar las velara.
En cierta ocasin, de manera accidental, dej las placas fotogrficas
(en ausencia de luz solar) junto a un mineral llamado pechblenda,
mineral que contiene uranio, das despus, cuando fue a utilizar las
placas, encontr que estaban veladas, lo que explicaba que el
mineral pechblenda emita una radiacin de tipo desconocida; de esta
manera tan fortuita fue descubierta la radiactividad. Estudios
posteriores de los esposos Curie (Marie y Pierre) demostraron que
la radiactividad no era el resultado de una reaccin qumica, sino
una propiedad elemental de ciertos tomos.
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Los tomos En 1909, Ernest Rutherford (1871- 1937), fsico y
qumico de Nueva Zelanda estudi las emisiones radioactivas
descubiertas por Henry Becquerel, descubriendo que existan al menos
dos tipos de ellas, una que era fcilmente absorbida por los
materiales a la que llam rayos alfa, y la otra de naturaleza ms
penetrante llamndolas rayos beta. En 1914, descubre una tercera
radiacin a la que llam rayos gamma, an ms penetrante que las dos
anteriores; adems, encontr que la radiactividad iba acompaada por
una desintegracin de los elementos. En 1911, Rutherford y sus
colaboradores, realizaron un experimento bombardeando una finsima
lmina de oro con partculas alfa con el fin de explorar el interior
del tomo.
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Los tomos Para ello construyeron un aparato (ver figura) donde
partculas (rayos alfa) con carga elctrica positiva se dirigen hacia
una muy delgada lmina de oro que en la parte posterior tena una
pantalla luminiscente para detectar las partculas que la
atravesaran. Los resultados fueron reveladores, la mayora de las
partculas atraves la lmina de oro, pero slo unas pocas se desviaron
de su trayectoria; inclusive, algunas de ellas se desviaron
totalmente hacia atrs. Estos hechos hicieron suponer a Rutherford
que los rayos alfa haban chocado con algo muy denso y que ocupa un
espacio muy pequeo en comparacin con el tamao del tomo. Esta parte
tan pequea del tomo fue llamada ncleo.
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Los tomos Los experimentos llevados a cabo Ernest Rutherford
evidenciaron las deficiencias del modelo atmico de J.J. Thomson;
este hecho llev a Rutherford a postular lo siguiente: a) Los tomos
poseen un centro de carga positiva llamado ncleo atmico, en el cual
se concentra la mayor parte de la masa del tomo y donde se
encuentran los protones. b) los electrones se mueven en rbitas
alrededor del ncleo dejando espacios vacos relativamente grandes y
formando una nube electrnica. c) La carga negativa de los
electrones contrarresta la carga positiva del ncleo, por lo que el
tomo es elctricamente neutro.
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Los tomos Con el modelo de Rutherford que propone la existencia
de dos cargas (los protones ubicados en el ncleo del tomo y que
concentra casi toda la masa, y los electrones ubicados alrededor
del ncleo, formando una nube electrnica y ocupando el mayor volumen
del tomo) se pueden explicar algunos fenmenos como los de
electrizacin de la materia, pero todava faltaba una pieza en el
rompecabezas para tener completa la estructura del tomo, ya que
ciertos hechos experimentales demostraban que haca falta algo ms
que protones y electrones.
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Los tomos Dos fsicos alemanes, Bother y Becker, en 1930
informaron que haban liberado del ncleo atmico una misteriosa
radiacin, bombardeando tomos de berilio con partculas alfa. Dos aos
despus James Chadwick, por medio de una serie de experimentos
demostr que las radiaciones descubiertas por Bother y Becker se
trataba de partculas, de naturaleza muy penetrante, que tenan una
masa mas o menos igual a la masa del protn, que carecan de carga
elctrica y que se encontraban en el ncleo de los tomos. A esta
nueva partcula se le denomin neutrn.
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Los tomos El modelo de Rutherford supona que los electrones se
encontraban girando alrededor del ncleo atmico como los planetas
giran alrededor del Sol. En su modelo Rutherford no explicaba por
que si en el ncleo est concentrada la mayor parte de la masa del
tomo y tiene carga positiva, los electrones, con carga elctrica
negativa, no caan hacia el ncleo atrados por la fuerza
electrosttica entre ambas partculas, al igual que los cuerpos caen
hacia la Tierra atrados por la fuerza gravitatoria.
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Los tomos Niels Bohr (1885-1962), fsico dans, propuso un nuevo
modelo de la estructura atmica que superaba las dificultades del
tomo de Rutherford. Bohr, en el ao de 1913, desarroll una hiptesis
conocida como teora atmica de Bohr que implicaba los siguientes
postulados: a) El tomo consta de un ncleo en el que esta localizada
toda la carga elctrica positiva del tomo y casi toda su masa. b)
Los electrones giran, alrededor del ncleo, en orbitas circulares
estacionarias sin emitir energa, de forma que la fuerza centrfuga
equilibra la fuerza de atraccin electrosttica.
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Los tomos c) El electrn no puede girar alrededor del ncleo en
cualquier orbita, solo puede hacerlo en aquellas a una distancia
definida del ncleo. A estas rbitas se les denomina niveles cunticos
o niveles de energa y estn ubicadas a una distancia considerable
del ncleo y a la disposicin de los electrones alrededor del ncleo
se le denomina configuracin electrnica.
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Los tomos Las rbitas electrnicas (niveles cunticos) se
superponen de forma regular hasta un mximo de siete, y cada una de
ellas puede albergar un determinado nmero de electrones. La primera
capa est completa cuando contiene dos electrones, en la segunda
caben un mximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener
cantidades cada vez mayores. Ningn tomo existente en la naturaleza
tiene la sptima capa llena. Los "ltimos" electrones, los ms
externos de la estructura del tomo, determinan el comportamiento
qumico del mismo. En el dibujo se pueden ver los 7 niveles de
energa y sus respectivos nombres (primer nivel K, segundo nivel L,
tercer) y el nmero de electrones que cada nivel puede albergar.
Observe que el ltimo nivel (7) puede albergar como mximo 8
electrones.
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Los tomos d) Cuando el electrn se mueve en una determinada
orbita no radia energa, solo lo hace cuando cambia de orbita. Si
pasa de una orbita externa a otra mas interna emite energa y la
absorbe cuando pasa de una orbita interna a otra mas externa. La
energa es emitida en paquetes, y a cada paquete se le denomina
fotn; lo que quiere decir que, cada vez que un electrn brinque de
una rbita a la rbita siguiente, ya sea interior o exterior, emite o
absorbe un fotn de energa.
Diapositiva 30
Los tomos Los tomos de gases calientes emiten y absorben luz a
ciertas longitudes de onda. En el grfico de arriba, se muestran
tres espectros de emisin y uno de absorcin. La concordancia entre
la informacin terica proporcionada por el modelo atmico de Niels
Bohr y la informacin obtenida experimentalmente con los espectros
de luz de diferentes tomos, signific un xito rotundo para Bohr y su
modelo atmico.