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La qumica se ha desarrollado desde hace mucho tiempo, aunque los qumicos estuvieran ms interesados en sus aplicaciones que en sus fundamentos.

Los altos hornos para la extraccin del hierro a partir de minerales de hierro aparecieron hacia el ao 1300 a.C. y algunos productos qumicos importantes, como el cido sulfrico (aceite de vitriolo), cido ntrico (agua fuerte) y sulfato de sodio (sal de Glauber) ya eran bien conocidos y utilizados hace cientos de aos.

A finales del siglo XVIII, ya se haban aislado los principales gases de la atmsfera (nitrgeno y oxgeno), y se haba haban propuestos comportamientos fsicos de los gases. Sin embargo, no puede decirse que la qumica entra en la edad moderna hasta que se explica el proceso de la combustin.

Veamos a continuacin las principales Leyes descubiertas que contribuyeron a desarrollar la teora atmica

1. Los primeros descubrimientos qumicos y la teora atmica

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La Ley de conservacin de la masa

El proceso de combustin (algo que arde) nos resulta tan familiar que es difcil darse cuenta de que supuso un difcil enigma para los primeros cientficos: la madera disminuye de peso despus de la combustin y los metales aumentan de peso.

En 1774, Antoine Lavoisier (1743-1794) realiz un experimento calentando un recipiente de vidrio cerrado que contena una muestra de estao y aire, Encontr que la masa antes del calentamiento (recipiente de vidrio + estao + aire) y despus del calentamiento (recipiente de vidrio + estao calentado + aire), era la misma. Mediante experimentos posteriores demostr que el producto de la reaccin, estao calentado (xido de estao), consista en el estao original junto con una parte de aire. Experimentos como ste demostraron a Lavoisier que el oxgeno del aire es esencial para la combustin y le llevaron a formular laLey de conservacin de la masa:

La masa total de las sustancias presentes despus de una reaccin qumica es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reaccin


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La Ley de las proporciones definidas

El mineral malaquita (arriba) y la ptina verde sobre un tejado de cobre (abajo) son en ambos casos carbonato bsico de cobre (CuCO3.Cu(OH)2) y tiene el mismo porcentaje de cobre que el carbonato bsico de cobre obtenido por Proust en 1799

En 1799, Joseph Proust estableci que Cien libras de cobre, disuelto en cido sulfrico o ntrico y precipitado por carbonato de sodio o potasio, producen invariablemente 180 libras de carbonato de color verde. Esta observacin y otras similares constituyeron la base de la Ley de la composicin Ley de la composicin constanteconstante, o la Ley de las proporciones definidasLey de las proporciones definidas:

Todas las muestras de un compuesto tiene la misma composicin, es decir, las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes

Joseph Proust(1754-1826)


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La teora atmica de Dalton

En el periodo desde 1803 hasta 1808, John Dalton, un maestro ingls, utiliz las dos leyes fundamentales de las combinaciones qumica anteriores, como base de su teora atmica. Su teora se bas en tres supuestos.

1. Cada elemento qumico se compone de partculas diminutas e indestructibles denominadas tomos. Los tomos no pueden crearse ni destruirse durante una transformacin qumica

2. Todo los tomos de un elemento son semejantes en su masa (peso) y otras propiedades pero los tomos de un elemento son diferentes de los del resto de los elementos.

3. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporcin numrica sencilla: por ejemplo, un tomo de A con un tomo de B (AB), o un tomo de A con dos tomos de B (AB2)

Si los tomos de un elemento son indestructibles (supuesto 1), entonces los mismos tomos deben estar presentes antes y despus de una reaccin qumica. La masa total permanece invariable. La teora de Dalton explica la ley de conservacin de la masa.Si todos los tomos de un elemento tiene una misma masa (supuesto 2) y si los tomos se unen en proporciones numricas fijas (supuesto 3), la composicin centesimal de un compuesto debe tener un nico valor, independientemente del origen de la muestra analizada. La teora de Dalton tambin explica la ley de la proporciones definidas


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La Ley de las proporciones mltiples

La teora de Dalton condujo a una prediccin, la ley de las proporciones mltiplesla ley de las proporciones mltiples:

Si dos elementos forman ms de un compuesto sencillo, las masas de un elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, estn en

una relacin de nmeros enteros sencillos.

1.000 g 1.333gcarbono + oxgeno -> CO

carbono + oxgeno -> CO21.000 g 2.667 g

2.6671.333

=

1

2

Por ejemplo:

Las masas relativas caractersticas de los tomos de los diferentes elementos se conocen como pesos atmicos y a lo largo del siglo XIX los qumicos trabajaron para establecer valores fiables de los pesos atmicos relativos. Sin embargo, los qumicos dirigieron su atencin principalmente al descubrimiento de nuevos elementos, sintetizando nuevos compuestos, desarrollando tcnicas para analizarla materiales y, en general, almacenando una gran cantidad de conocimiento qumico. Los fsicos fueron los que dedicaron sus esfuerzos a desvelar la estructura del tomo, como veremos en los prximos apartados


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El descubrimientos de los electrones

En la dcada de 1890, muchos cientficos estaban interesados en el estudio de la radiacin, la emisin y transmisin de la energa a travs del espacio en forma de ondas. La informacin obtenida por estas investigaciones contribuy al conoci-miento de la estructura atmica. Para investigar este fenmeno se utiliz un tubo de rayos catdicos, precursor de los tubos utilizados en los televisores o los monitores de los ordenadores (ver figura adjunta)

En algunos experimentos se colocaron por fuera del tubo de rayos catdicos a) dos placas cargas elctricamente o b) un electroimn. Las desviaciones producidas en ambos casos se correspondan con las esperadas para partculas cargadas negativamente

b)a)

2. Los electrones y otros descubrimientos de la fsica atmica

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El descubrimientos de los electrones

Thomson, tambin concluy que los rayos catdicos son partculas fundamentales de materia, cargadas negativamente y que se encuentran en todos los tomos (las propiedades de los rayos catdicos son independiente de la composicin del ctodo). Posteriormente a los rayos catdicos se les dio el nombre de electroneselectrones, trmino propuesto por George Stoney en 1874

En 1897, J.J. Thomson (1856-1940) estableci la relacin entre la masa (m) y la carga de los rayos catdicos (e), es decir, m/e, mediante el mtodo descrito en la figura lateral. El nmero que obtuvo fue -1.76108 C/g.

Joseph John Thomson (1856 1940), fsico britnico, recibi el premio Nobel de Fsica en 1906 por ser quien descubri el electrn


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La carga del electrn

Mas tarde, entre 1908 y 1917, R A. Millikan llev a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrn con gran precisin. Su trabajo demostr que la carga de cada electrn era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analiz el movimiento de minsculas gotas de aceite que adquiran carga esttica a partir de los iones del aire. Suspenda en el aire las gotas cargadas mediante la aplicacin de un campo elctrico y segua su movimiento con un microscopio. Al aplicar sus conocimientos sobre electrosttica, Millikan encontr que la carga de un electrn es de -1.6022 10-19 C. A partir de estos datos calcul la masa de un electrn que encontr que era de 9.1010-28 g

Robert Andrews Millikan (1868-1953), fsico estadounidense, merecedor del premio Novel de Fsica en 1923 por determinar la carga del electrn

Diagrama del experimento de Millikan de la gota de aceite


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El modelo atmico de Thompson

Una vez considerado el electrn como partcula fundamental de la materia existente en todos los tomos, los fsicos atmicos empezaron a especular sobre cmo estaban incorporados estas partculas dentro de los tomos. El modelo comnmente ms aceptado era el propuesto por J.J. Thompson, quien pens que la carga positiva necesaria para contrarrestar las cargas de los electrones en un tomo neutro estaba en forma de nube difusa. Sugiri que los electrones flotaban en este nube difusa de carga positiva, semejante a una gelatina con los electrones a modo de frutas. A este modelo se le dio el nombre de pudn de pasas por su semejanza con un postre tradicional ingls hecho con pasas. Los electrones estn insertos en una esfera uniforme con carga positiva

Modelo atmico de Thompson


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Los rayos X

En 1895, el fsico alemn Wilhelm Rntgen observ que cuando los tubos de rayos catdicos estaban funcionando, algunos materiales fuera de los tubos, emitan luz o fluorescencia. Demostr que esta fluorescencia era producida por la radiacin emitida por los tubos de rayos catdicos. Estos rayos muy en energticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecan las placas fotogrficas, incluso cubiertas, y producan fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran de desviados de su trayectoria por un imn, no estaban constituidos por partculas con carga, como los rayos catdicos. Rntgen les dio el nombre de rayos Xrayos X, por su naturaleza desconocida.

Wilhelm Konrad Rntgen (1845-1923), fsico alemn, recibi el Nobel de Fsica en 1901 por el descubrimiento de los rayos X

Radiografa tomada por Rntgen en 1896.


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La radioactividad

Poco despus del descubrimiento de Rntgen, Antoine Becquerel, empez a estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente encontr que algunos compuestos de uranio oscurecan las placas fotogrficas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catdicos. AI igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energticos y no los desviaba un imn, pero diferan de los rayos X en que se emitan de manera espontnea.

Marie Curie, discpula de Becquerel, sugiri el nombre de radioactividad para describir esta emisin espontnea de partculas o radiacin. Desde entonces se dice que un elemento es radioactivo si emite radiacin de manera espontnea. A comienzos del siglo XX fueron descubiertos nuevos elementos radioactivos, principalmente por Marie y PiereCurie.

Marie Curie (1867-1934), qumica y fsica nacida en Polonia, fue galardonada junto con su marido, Pierre Curie, con el premio Nobel de Fsica por su trabajo sobre la radioactividad. Posteriormente, en 1911, se le concedi el Nobel de Qumica por su trabajo sobre los elementos radio y polonio

Antoine Henri Becquerel (1852-1923), fsico francs, se le otorg el Nobel de Fsica en 1903 por el descubrimiento de la radioactividad del uranio


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La radioactividad

Cmara de plomo

Sustancia radioactiva

++++

La desintegracin o descomposicin de las sustancias radioactivas, como el uranio produce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metlicas con cargas opuestas. Los rayos alfa () constan de partculas cargadas positivamente, llamadas partculas , que se apartan de la placa con carga positiva. Los rayos beta (), o partculas , son electrones y se alejan de la placa con carga negativa. Un tercer tipo de radiacin consta de rayos de alta energa, llamados rayos gamma (). Al igual que los rayos X, los rayos no presentan carga y no les afecta un campo externo


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En 1910, Ernest Rutherford, utiliz partculas para demostrar la estructura de los tomos. Junto con su colega Hans Geiger, Rutherford efectu una serie de experimentos utilizando lminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partculas provenientes de una fuente radiactiva.

Observaron que la mayora de las partculas atravesaban la lmina sin desviarse, o bien con una ligera desviacin. De cuando en cuando, algunas partculas a eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ngulo. En algunos casos, las partculas regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva. ste fue el descubrimiento ms sorprendente, pues segn el modelo de Thomson, la carga positiva del tomo era tan difusa que se esperara que las partculas atravesaran las lminas sin desviarse o con una desviacin mnima.

Lmina de oro

Pantalla de deteccin Ranura

Emisor de partculas

Ernest Rutherford (1871-1937). Fsico neozelands recibi el Nobel de Qumica en 1908.

3. El tomo nuclear

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Las partculas del ncleo que tiene carga positiva reciben el nombre de protonesprotones. Fueron descubiertas por Rutherford en 1919.

En otros experimentos se encontr que los protones tiene la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de 1.67262 10-24 g, aproximadamente 1840 veces la masa del electrn con carga opuesta.

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Tiempo despus, Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersin de partculas utilizando un nuevo modelo de tomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los tomos debe ser espacio vaco. Esto explica por qu la mayora de las partculas atravesaron la lmina de oro sufriendo poca o ninguna desviacin. Rutherford propuso que las cargas positivas de los tomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del tomo, que llam ncleoncleo. Cuando una partcula a pasaba cerca del ncleo en el experimento, actuaba sobre ella una fuerza de repulsin tan grande que su trayectoria se inverta por completo.

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El ncleo y los protones

3. El tomo nuclear

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Hasta este punto, los cientficos visualizaron el tomo de la siguiente manera: la masa del ncleo constituye la mayor parte de la masa total del tomo, pero el ncleo ocupa slo 1/1013 del volumen total del tomo.

Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamao de un tomo y su ncleo imaginando que si un tomo tuviera el tamao de un estadio olmpico, el volumen del su ncleo sera comparable con el de una pequea canica

3. El tomo nuclear

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El modelo de Rutherford de la estructura atmica dejaba un importante problema sin resolver. Se saba que el hidrgeno, el tomo ms sencillo, contena solamente un protn, y que el tomo de helio contena dos protones. Por tanto, la relacin entre la masa de un tomo de helio y un tomo de hidrgeno debera ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho mas ligeros que los protones, se puede ignorar su contribucin a la masa atmica.) Sin embargo, en realidad la relacin es 4:1. Rutherford y otros investigadores haban propuesto que debera existir otro tipo de partcula subatmica en el ncleo, hecho que el fsico ingles James Chadwick prob en 1932. Cuando Chadwick bombarde una delgada lamina de berilio con partculas , el metal emiti una radiacin de muy alta energa, similar a los rayos .

James Chadwick (1891-1972), fsico britnico, recibi el premio Nobel de Fsica por demostrar la existencia de los neutrones

Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmente constan de un tercer tipo de partculas subatmicas, que Chadwick llam neutronesneutrones debido a que se demostr que eran partculas elctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. EI misterio de la relacin de las masas ahora poda explicarse. En el ncleo de helio existen dos protones y dos neutrones, mientras que en el ncleo de hidrgeno hay slo un protn y no hay neutrones; por tanto, la relacin es 4:1.

El ncleo y los protones

3. El tomo nuclear

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Las tres partculas subatmicas consideradas hasta ahora (electrn, protn y neutrn) son las nicas implicadas en los fenmenos que nos interesan en esta asignatura. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el estudio de la materia a nivel fundamental debe considerar muchas otras partculas subatmicas que son objeto de estudio de la fsica de partculas elementales

leptones

gluones

fotones

piones

quarks up

quarks down

quarks bottom

quarks top

quarks extrao

quarks encanto

antiquark

fotones

neutrinos

bosones W

bosones Z

hadrones

fermiones

3. El tomo nuclear

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El nmero atmico (Z)nmero atmico (Z) es el nmero de protones en el ncleo del tomo de un elemento.

En un tomo neutro el nmero de protones es igual al numero de electrones, de manera que el nmero atmico tambin indica el nmero de electrones presentes en un tomo.

La identidad qumica de un tomo queda determinada por su nmero atmico. Todos los tomos se pueden identificar por el nmero de protones que contienen.

Por ejemplo:

El nmero atmico del flor es 9 (Z = 9) Cada tomo de flor tiene: 9 protones 9 electrones

Cada tomo en el universo que contenga 9 protones se llamar de manera correcta flor

El nmero atmico

4. Nmero atmico, nmero de masa e istopos

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El numero de masa (A), o nmero msiconumero de masa (A), o nmero msico, es el nmero total de protones y neutrones presentes en el ncleo de un tomo de un elemento.

Por ejemplo:

el nmero de masa del flor es 19 (Z=19) y su numero atmico es 9 (A=9)

Cada tomo de flor tiene: 9 protones 9 electrones 10 neutrones

En general, el nmero de masa est dado por:nmero msico = nmero de protones + nmero de neutrones nmero msico = nmero atmico + nmero de neutrones

A = Z + nmero de neutrones

N de neutrones = A - Z

El nmero de masa

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Para representar la composicin de cualquier tomo particular, necesitamos especificar el nmero de protones, neutrones y electrones. Podemos hacer esto con el siguiente simbolismo:

EAZ

Nmero de protones + nmero de neutrones

Nmero de protones

Smbolo del elemento

Este esquema indica que el tomo es del elemento E y que tiene un nmero atmico Z y su nmero msico es A. Por ejemplo, un tomo de aluminio, representado por:

Tiene 13 protones y 14 neutrones en su ncleo, y 13 electrones fuera del ncleo

Al2713


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Contrariamente a lo que Dalton pens, ahora sabemos que los tomos de un elemento no tiene todos necesariamente la misma masa. En 1912, J.J. Thomson midi las relaciones masa-carga de los iones positivos formados por el gas nen. Encontr que aproximadamente el 91% de los tomos tenan una masa determinada y que los tomos restantes eran aproximadamente un 10% ms pesados. Todos los tomos de nen tienen diez protones en su ncleo y la mayor parte de ellos, tienen adems diez neutrones. Sin embargo, unos pocos tomos de nen tienen 11 neutrones y algunos tienen 12. Podemos representar estos tres tipos diferentes de tomos de nen como:

Ne2010 Ne2110 Ne

2210

Todos los tomos que tienen el mismo nmero atmico (Z) pero diferente nmeros de masa (A), se llaman istopos.istopos.

Istopos

Con la excepcin del hidrgeno, que tiene un nombre diferente para cada istopo (protio, deuterio y tritio), los istopos de los elementos se identifican por su nmero de masa. Por ejemplo nen-20 (lase nen veinte), carbono-12 o uranio-235.


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De todo los tomos de nen que hay en la tierra, el 90,51% es de . Los porcentajes de y son 0,27 y 9.22, respectivamente. Estos porcentajes: 90,51, 0,27 y 9.22 son los porcentajes de abundancia naturalporcentajes de abundancia natural de los tres istopos del nen.

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Ne2110 Ne

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Istopos

Algunos elementos, tal como existen en la naturaleza, contienen un nico tipo de tomos y por tanto no tienen istopos naturales. El Aluminio, por ejemplo, est formado nicamente por tomos de aluminio-27.

Otro ejemplo: El uranio natural est formado por tres tipos de istopos: uranio-238(238U), uranio-235 (235U) y uranio-234 (234U). De cada gramo de uranio natural el 99,284 % de la masa es uranio-238, el 0,711% uranio-235, y 0,0085% uranio-234.

Uranio natural(0,71% 235U)

Uranio enriquecido para reactores

(3-4% 235U)Uranio enriquecido

para armas(>90% 235U)


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Ms de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los qumicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos. EI reconocimiento de las regularidades peridicas en las propiedades fsicas y en el comportamiento qumico, as como la necesidad de organizar la gran cantidad de informacin disponible sobre la estructura ypropiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla peridicatabla peridica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades qumicas y fsicas semejantes.

5. La Tabla peridica

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

As, por ejemplo, en 1864, el qumico ingls J.A.R. Newlands orden los elementos en orden creciente de sus pesos atmicos (prescindiendo del hidrgeno), el octavo elemento a partir de cualquier otro tena unas propiedades muy similares al primero (en esta poca, los gases nobles no haban sido an descubiertos).

F19,0

Cl35,5

O16,0

S32,1

N14,0

P31,0

C12,0

Si28,1

B10,8

Al27,0

Be9,0

Mg24,3

Ca40,0

Li6,9

Na23,0

K39,0

7654321Ley de las octavas de Newlands

John Alexander Reina Newlands

(1838-1898)

Esta ley mostraba una cierta ordenacin de los elementos en familias (grupos), con propiedades muy parecidas entre s y en periodos, formados por ocho elementos cuyas propiedades iban variando progresivamente. El nombre de octavas se basa en la intencin de Newlands de relacionar estas propiedades con la que existe en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de ley de las octavas. Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenacin no fue apreciada por la comunidad cientfica que lo menospreci y ridiculiz.


JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

En 1869 Mendeleiev consigui hacer una clasificacin de los elementos conocidos hasta aquellos momentos. Esta clasificacin, se basaba en la periodicidad de las propiedades qumicas y su relacin con los pesos atmicos. Posteriormente, en 1873 present una nueva versin:

-Ur =240 -Th=232 ----Bi=208 Pb=207 Tl=204 Hg=200 (Au=197)

Os=199, Ir=198?, Pt=197, Au=197 -W=184Ta=182 -----------

---Ce=138? ? =137 Ba=37 Cs=133 J =127 Te =128? Sb =122 Sn=118 In =113 Cd=112 (Ag=108)

Ru=104, Rh=104, Pd=104, Ag =108 ?=100 Mo =96 Nb =94 Zr=90?Yt=88?Sr=87 Rb=85

Br =80 Se =78 As =75 ?=72 ? =68 Zn=65 (Cu=63) Fe=56, Co=59, Ni=59, Cu=63 Mn =55 Cr =52 V =51 Ti=50? ?=44Ca=40 K =39

Cl = 35,5 S = 32 P = 31 Si=28 Al=27,4Mg=24 Na = 23 F = 19 O = 16 N = 14 C=12 B = 11 Be = 9,4 Li = 7

H = 1

VIIIVII VI V IV III III

Este es el origen de la Tabla peridica moderna en la cual los elementos estn acomodados de acuerdo con su numero atmico (que aparece sobre el smbolo del elemento), en filas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades qumicas


JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

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L

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T

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O

R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a La tabla de Mendeleiev es el origen de la Tabla peridica moderna en la cual los elementos estn acomodados de acuerdo con su numero atmico (que aparece sobre el smbolo del elemento), en filas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades qumicas


JM

G

F

r

a

g

a

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e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

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L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

La masa de un tomo depende del nmero de electrones, protones y neutrones que contiene. El conocimiento de la masa de un tomo es importante para el trabajo del laboratorio; sin embargo, los tomos son partculas extremadamente pequeas:

incluso la partcula ms pequea de polvo que puede apreciarse a simple vista y que no puede ser detectada por las balanzas analticas contiene 1 x 1016 tomos!.

Obviamente no es posible pesar un solo tomo, pero existen mtodos experimentales para determinar su masa en relacin con otro. EI primer paso consiste en asignar un valor a la masa de un tomo de un elemento determinado para utilizarlo como referencia.

J

M

G

F

r

a

g

a

AI fijar la masa del 12C como 12 u, se tiene el tomo que se utiliza como referencia paramedir la masa atmica de los dems elementos.

Por acuerdo internacional, la la masa atmicamasa atmica es la masa de un tomo, en unidades de masa atmica.

Masa atmica

Una unidad de masa atmicaunidad de masa atmica (u) se define como una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un tomo de 12C.

Unidad de masaatmica

6. Masa atmica

JM

G

F

r

a

g

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m

a

3

:

L

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M

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R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a

Con clculos semejantes se demuestra que la masa atmica del oxigeno es 16.00 u y que Ia del hierro es 55.85 u. Aunque no se conoce la masa promedio de un tomo de hierro, se sabe que es alrededor de 56 veces mayor que la masa de un tomo de hidrgeno.

Ciertos experimentos han demostrado que. en promedio, un tomo de hidrgeno tiene slo 8.400% de la masa del tomo de 12C. De modo que si la masa de un tomo de 12C es exactamente 12 u, Ia masa atmica del hidrgeno debe ser 0.084 X 12.00 u, es decir 1.008 u.

Por ejemplo,

6. Masa atmica

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

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S

T

O

M

O

S

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T

E

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R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a

Cuando se busca Ia masa atmica del carbono en una tabla peridica, se encuentra que su valor no es 12.00 u sino 12.01 u. La razn de esta diferencia es que la mayora de los elementos de origen natural (incluido el carbono) tiene ms de un istopo. Esto significa que al medir la masa atmica de un elemento, Por lo general se debe establecer la masa promedio de la mezcla natural de los istopos. Por ejemplo, la abundancia natural del 12C y del 13C es de 98.90 y 1.10%, respectivamente. Se ha determinado que la masa atmica del 13C es 13.00335 u. As, la masa atmica promedio del carbono se calcula como sigue:

= (98.90/100)(12.00000 u) + (1.109/100)(13.00335 u)

=12.01 u

Masa atmica promediodel carbono natural

Cuando se dice que la masa atmica del carbono es de 12.01 u, se hace referencia a un valor promedio. Si los tomos de carbono se pudieran examinar de forma individual, se encontrara tomos con masa atmica de 12.00000 o bien de 13.00335 u, pero ninguno de 12.01.

12C98.90%

13C1.109%

6. Masa atmica

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

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O

M

O

S

Y

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A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

En cualquier situacin real, se manejan muestras macroscpicas que contienen una enorme cantidad de tomos que no podemos contar. Por consiguiente, es conveniente tener una unidad especial para describir una gran cantidad de tomos. La idea de tener una unidad para describir un numero particular de objetos no es nueva. Por ejemplo, el par (2 objetos), el tro (3 objetos), la decena (10 objetos) la docena (12 objetos) y la gruesa (144 objetos) son unidades de uso comn. Los qumicos miden a los tomos y las molculas en moles.

En el sistema internacional, el mol mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (tomos, molculas u otras partculas) como tomos hay exactamente en 12 g del istopo de 12C.

El numero real de tomos en 12 g de 12C se determina experimentalmente. Este numero se denomina nmero de Avogadronmero de Avogadro (N(NAA)). EI valor comnmente aceptado es

J

M

G

F

r

a

g

a

NA = 6.0221367 1023

Generalmente, este numero se redondea a 6.022 1023. As, al igual que una docena de naranjas contiene 12 naranjas, un mol de tomos de hidrgeno contiene 6.0221023tomos de H.

Amedeo Avogadro (1776 - 1856)

7. Mol y nmero de Avogadro

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

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L

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T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

El nmero de bolas de 15 cm de dimetro que podran obtenerse a partir del globo terrestre sera aproximadamente igual al nmero de Avogadro.

Un nmero de libros igual al NA, repartido entre 40 millones de espaoles, hara corresponder a cada espaol 1,5 1016 libros. Repartido entre todos los habitantes de la Tierra (unos 5.000 millones), tocaramos a 1,2 1014 libros.

Se tardara aproximadamente 20.000.000.000 de aos en contar NA partculas a razn de un milln por segundo.

El nmero de tazas de agua necesarias para vaciar el Ocano Pacfico coincide aproximadamente con el NA

Las latas de refrescos necesarias para cubrir la Tierra hasta una altura de 320 kmcoincide con el NA

Si tomramos un vaso de tamao medio, lo llenramos con agua del mar, volviramos a tirarla al mismo y estas molculas del vaso anterior se distribuyeran por igual por todos los mares y ocanos de la Tierra (cosa bastante difcil), al volver a llenar el vaso tomando agua del mar tendramos unas 10.000 molculas del agua anterior.

Si todas las personas actualmente en el mundo hubieran utilizado sus vidas en contar granos de trigo (contando 100 por minuto) no podran alcanzar el NA. Es ms, si todas las personas que han vivido en la Tierra hubieran utilizado sus vidas contando granos de trigo, el total estara lejos de alcanzar el NA.

El NA de granos de trigo es mucho ms del trigo que se ha producido en la historia humana.

A un ordenador personal le ocupara alrededor de 20 millones de aos contar desde 0 hasta NA

El NA, obviamente, no es un nmero til para contar objetos ordinarios. Por otro lado, cuanto este nmero inconcebiblemente enorme se utiliza para contar objetos inconcebiblemente pequeos, tales como tomos o molculas, el resultado es una cantidad de materia que est fcilmente dentro de nuestro alcance

7. Mol y nmero de Avogadro

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

Un mol de tomos de 12C tiene una masa exacta de 12,00 g y contiene 6.0221023tomos. Esta cantidad de 12C es su masa molar..

La masa molarmasa molar se define como la masa (en gramos o kilogramos) de un mol de unidades (como tomos o molculas) de una sustancia.

La masa molar del 12C (en gramos) es numricamente igual a su masa atmica expresada en uma. Lo mismo ocurre con el resto de los elementos, si se conoce la masa atmica de un elemento, tambin se conoce su masa molar:

masa atmica 12C = 12.00 u

Masa molar del C = 12.00 g

Masa atmica Na = 22.99 u

Masa molar Na = 22.99 g

Masa atmica P = 30.97 u

Masa molar del P = 30.97 g

Masa molar del 12C = 12.00 g

6.0221023 tomos de C

Masa molar del Na = 22.99 g

6.0221023 tomos de Na

Masa molar del P = 30.97 g

6.0221023 tomos de P

Un tomo de 12C

1.99310-23 g

Un tomo de Na

3.81710-23 g

Un tomo de P

5.14310-23 tomos de P

8. Masa molar

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

OXIGENO

16.00 u

16.00 g

1 mol de tomos

6.02231023 tomos de oxgeno

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

P2O5

2 x (masa atmica del fsforo) + 5 x (masa atmica del oxgeno) =

2 x 30.97 + 5 x 16.00 = 141.9 uma

J

M

G

F

r

a

g

a

Si se conocen las masas atmicas de los tomos que forman una molcula se puede calcular la masa molecular. La masa molecularmasa molecular es la suma de las masas atmicas (en uma) en una molcula. Tradicionalmente se denomina peso peso molecularmolecular.

Por ejemplo, la masa molecular de siguiente compuesto P2O5 es:

1. Calcular el peso molecular de la cafena (C8H10N4O2)?2. Calcular el peso molecular del yeso (CaSO4H2O)?3. Calcular el peso molecular del Al2(SO4)3?

12.01C

26.98Al

40.08Ca

32.07S

16.00O14.01N

1.008HMasa atmica (uma)

EJERCICIOS

JM

G

F

r

a

g

a

T

e

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

EJERCICIOS

P2O5

J

M

G

F

r

a

g

a

141.9 u

141.9 g

1 mol de molculas de P2O52 moles de tomos de P5 moles de tomos de O

6.02231023 molculas de P2O52 x 6.02231023 tomos de P5 x 6.02231023 tomos de O

10/14/2009 ThepowerpointTemplates.com 36Te

m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

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S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a

9. Composicin centesimal. Clculo de frmulas empricas y moleculares

La composicicomposicin porcentual en masan porcentual en masaes el porcentaje en masa de cada elemento presente en un compuesto. La composicin porcentual se obtiene al dividir la masa de cada elemento contenida en 1 mol del compuesto entre la masa molar del compuesto y multiplicando por 100%. Matemtica-mente, la composicin porcentual de un elemento en un compuesto se expresa como

=elementoundeporcentualncomposici %100compuestoundemolarmasa

elementodelmolarmasan

Por ejemplo: - H2O2: 5.926% de H y 94.06% O- H3PO4: 3.086%H, 31.61% P y 65.31% de O

donde n es el nmero de moles del elemento contenidos en un mol del compuesto


m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

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R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a

J

M

G

F

r

a

g

a


%926.5%100OHg02.34Hg008.12H%

22

=

= %06.94%100OHg02.34Og00.162O%

22

=

=

Si se hubiera utilizado para el clculo la frmula emprica HO, se habra escrito

%926.5%100OHg01.17Hg008.1H%

22

== %06.94%100OHg01.17Og00.16O%

22

==

Debido a que tanto la frmula emprica como la molecular indican la composicin del compuesto, no es sorprendente que se obtenga la misma composicin porcentual en masa.

Calcular la composicin porcentual del H2O2En un mol de perxido de hidrgeno (H2O2) hay 2 moles de tomos de H y 2 moles de tomos de O. Las masas molares de H2O2, H y O son 34.02 g, 1.008 g Y 16.00 g, respectivamente. Por lo tanto, la composicin porcentual del H2O2 se calcula como sigue:

EJERCICIOS

EI procedimiento de este ejemplo puede invertirse si es necesario. Si se conoce la composicin porcentual en masa de un compuesto es posible determinar su formula emprica.


m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a

J

M

G

F

r

a

g

a


El cido ascrbico (vitamina C) est formado por 40.92% de carbono (C), 4.58% de hidrgeno (H) y 54.50% de oxgeno. Determnese su frmula emprica.

En una frmula qumica los subndices representan la relacin del nmero de moles de cada elemento que se combina para formar un mol del compuesto. Cmo se puede convertir la masa porcentual en moles?. Si se supone una muestra de exactamente 100 g del compuesto, se podr conocer la masa de cada elemento en el compuesto?Cmo se convierten los gramos en moles?:

Cmol407.3Cg01.12

Cmol1Cg92.40nC == Hmol54.4Hg008.1Hmol1Cg58.4nH ==

Omol406.3Og00.16

Omol1Cg50.54nC ==

De este modo se llega a la frmula C3.407H4.54O3.406, que indica la identidad y la relacin de los tomos presentes. Sin embargo, las frmulas qumicas se escriben con nmeros enteros; para ello, el primer paso es dividir todos los subndices por el nmero ms pequeo (3.406):

1406.3406.3

:O33.1406.354.4

:H1406.3407.3

:C =

Esto da CH1.33O como la frmula del cido ascrbico. Despus, es necesario convertir 1.33, el subndice del H, en un nmero entero. Lo podemos realizar mediante un procedimiento de prueba y error:

1.33 x 1 = 1.331.33 x 2 = 2.661.33 x 3 = 3.99 4

Debido a que 1.33 x 3 da un nmero entero, se deben multiplicar todos los subndices por 3 y se obtiene C3H4O3 como la frmula emprica del cido ascrbico.

EJERCICIOS


m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a


La frmula calculada a partir de la composicin porcentual en masa es siempre la frmula emprica debido a que los subndices en la frmula se reducen siempre a los nmeros enteros ms pequeos. Para calcular la fla frmula molecularrmula molecular, o real, se debe conocer la masa molar aproximada del compuesto adems de su frmula emprica. Conociendo que la masa molar de un compuesto debe ser un mltiplo entero de la masa molar de su frmula emprica, la frmula molecular se determina empleando la masa molar.Por ejemplo:

Frmula emprica

Frmula molecular

Formaldehdo CH2O CH

2O

cido actico CH2O C

2H

4O

2

Glucosa CH2O C

6H

12O

6


m

a

3

:

L

O

S

T

O

M

O

S

Y

L

A

T

E

O

R

A

A

T

M

I

C

A

J

M

G

F

r

a

g

a


EJERCICIOS

Una muestra de un compuesto de nitrgeno y oxigeno contiene 1.52 g de N y 3.47 g de O. Se sabe que la masa molar de este compuesto est entre 90 y 95 g. Determinar la frmula molecular y la masa molar del compuesto.

Primero es necesario determinar la formula emprica del compuesto y posteriormente comparar su masa molar con la masa molar real del compuesto, es decir, la masa molar determinada experimentalmente. Esta comparacin proporcionar la relacin entre la frmula emprica y la frmula molecular.Considrese n como el nmero de moles de nitrgeno y oxigeno. Entonces:

As, la formula del compuesto es N0.108O0.217. Sin embargo, las frmulas se escriben como nmeros enteros; intentaremos convertir en nmeros enteres dividiendo los subndices entre el subndice ms pequeo (0.108). Despus de haberlo redondeado, se obtiene NO2 como frmula emprica.La frmula molecular ser la misma que la formula emprica o algn mltiplo entero de ella (por ejemplo, dos, tres, cuatro o ms veces la frmula emprica. Al comparar la relacin de la masa molar con la masa molar de la frmula emprica se muestra la relacin integral entre la frmula emprica y la frmula molecular. La masa molar de la frmula emprica NO2 es (14.01+2x16.00 = 46.01 g Despus, se determina la proporcin entre la masa molar y la masa molecular emprica: 90/46.012La masa molar del compuesto es el doble de la masa molar emprica. Esto implica que hay dos unidades de NO2 en cada molcula del compuesto y la frmula molecular es (NO2)2 o N2O4. La masa molar real del compuesto es el doble de la masa molar emprica, es decir, 2(46.01) o 92.02g, la cual est entre 90 g y 95 g.

Ndemol108.0Ng00.14

Nmol1Ng52.1nN == Odemol217.0Og00.16Omol1Og52.1nN ==

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