El átomo Química 2º Bachillerato

El predominio de uno u otro de estos elementos hacía que la materia fuera: Húmeda Fría Seca Caliente

La Edad Media En el mundo cristiano, la teoría de Aristóteles fue adoptada por los alquimistas , precursores de los científicos, que desarrollaron su actividad durante toda la Edad Media

Los alquimistas de la Edad Media creían que para lograr la transformación de metales como el plomo, sin gran valor, en oro o plata , había que agregar y combinar una cantidad justa de mercurio , a fin de lograr la transmutación. También pensaban que para que esta reacción se produjera tendría que ocurrir en presencia de un catalizador (sustancia que provoca la modificación de ciertos cuerpos sin modificarse ella misma) al que se llamó piedra filosofal . La historia de la alquimia es básicamente la historia de la búsqueda de este catalizador.

Ley de Dalton Ley de Proust Explicación visual de las leyes de Proust y Dalton a partir de la Teoría atómica

Experiencia: La electrolisis del agua (explicación) . 12 V H 2 H 2 O 2 H 2 O 2 H 2 H 2 H 2 O 2 2H 2 O 2H 2 + O 2

Rayos X (1895) Wilhelm K. Roentgen (1845 - 1923) 1901 Roentgen, pensó que el tubo emitía, además de los rayos catódicos, algún tipo de radiación desconocida, razón por la cual la denominó Rayos X. El 22 de diciembre hizo pasar una radiación durante 15 minutos, a través de la mano de su mujer, Bertha, poniendo al otro lado una placa fotográfica. Revelada la placa se vieron las sombras de los huesos de Bertha, realizándose así la primera radiografía de la historia

Radiactividad natural Antoine H. Becquerel (1852 - 1908) En 1895, Roentgen descubrió que los rayos X podían provocar fluorescencia en ciertos materiales. Becquerel quiso saber si lo contrario también era posible: es decir, que una sustancia fluorescente emitiera rayos X. Para verificar esta posibilidad, envolvió uma placa fotográfica con papel, colocó sobre ella cristales de un material fluorescente (un compuesto de uranio) y expuso el conjunto a la luz solar. La luz provocaría fluorescencia en los cristales y ellos pasarían a emitir rayos X, la placa quedaría impresionada. Registro obtenido por Becquerel en una placa fotográfica de radiaciones emitidas naturalmente.

Físico Británico estudió las propiedades eléctricas de la materia, especialmente las de los gases. Joseph John Thomson (1856-1940) Descubrió que los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas negativamente (hoy en día llamadas electrones), de las que determinó la relación entre su carga y masa. Millikan calculó experimentalmente el valor de la carga eléctrica negativa de un electrón mediante su experimento con gotas de aceite entre placas de un condensador. Dio como valor de dicha carga e = 1,6 · 10 -19 culombios . La medida directa del cociente carga-masa, e/m, de los electrones por J.J. Thomson en 1897 puede considerarse justamente como el principio para la compresión actual de la estructura atómica. 1906

El modelo atómico de Thomson Por ser tan pequeña la masa de los electrones, J. J. Thomson supuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del átomo correspondía a la carga positiva, que, por tanto, debía ocupar la mayor parte del volumen atómico. Thomson imaginó el átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones (como las pasas en un pudin).

Experimento de Rutherford El modelo de Thomson tuvo una gran aceptación hasta que, en 1911, el químico y físico inglés Ernest Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo el " Experimento de Rutherford ". Cuando una fuente de partículas  atravesaba una fina lámina de oro se observaba en una pantalla fluorescente que la mayoría seguían en línea recta, mientras que algunas rebotaban y unas pocas partículas alfa rebotaban hacia la fuente de emisión

Esto es lo que teóricamente, debía haber sucedido, todos los rayos debían pasar sin desviarse Lo que realmente sucedía era que las partículas  , que eran positivas, se desviaban Esto sugirió un modelo hueco en el que la mayoría de la masa (positiva) se encontraba concentrada en un núcleo. Rutherford, al observar los resultados, comentó: ” Es lo más increíble que me ha sucedido en mi vida. Casi tan increíble como si al disparar balas contra un papel de seda, algunas se volvieran contra usted”.

Explicación del experimento de Rutherford La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina sin desviarse , porque la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío. Algunos rayos se desviaban , porque pasan muy cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos alfa (CARGA POSITIVA). Muy pocos rebotan , porque chocan frontalmente contra esos centros de carga positiva.

Partículas constituyentes del átomo 1,0090 u = 1,675.10 -27 Kg 0 neutrón 1,0076 u = 1,673.10 -27 Kg +e = 1,6.10 -19 C protón 0,00055 u = 9,1.10 -31 Kg -e = -1,6.10 -19 C electrón Masa Carga partícula

Manera de caracterizar un elemento: X Símbolo del elemento Número atómico Número másico Z=11 Tiene 11 protones en su núcleo A=23 Tiene 23 partículas en su núcleo (23-11)=12 serán neutrones Si el átomo es neutro, en su corteza habrá 11 electrones Átomo de sodio

Todos los átomos de un mismo elemento (X) tienen el mismo número atómico (Z), es decir, el mismo número de protones Átomos con el mismo número atómico (Z) pueden tener distinto número másico (A), es decir, pueden tener distinto número de neutrones. Se dice que son átomos isótopos . ¿Cuáles son isótopos?

Todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico (Z), es decir, el mismo número de protones Si el átomo es neutro , su nº de electrones es Z Si es un catión , su nº de electrones es menor que Z Si es un anión , su nº de electrones es mayor que Z Anión cloruro: 17 protones, 18 electrones Catión magnesio (II): 12 protones, 10 electrones Anión sulfuro: 16 protones, 18 electrones

  Espectro electromagnético .

Espectro atómico de absorción Cuando la radiación atraviesa un gas, este absorbe una parte, el resultado es el espectro continuo pero con rayas negras donde falta la radiación absorbida. ESPECTRO DE ABSORCIÓN Espectro de absorción

ESPECTRO DE EMISIÓN Cuando a los elementos en estado gaseoso se les suministra energía (descarga eléctrica, calentamiento...) éstos emiten radiaciones de determinadas longitudes de onda. Estas radiaciones dispersadas en un prisma de un espectroscopio se ven como una serie de rayas, y el conjunto de las mismas es lo que se conoce como espectro de emisión .

Cada elemento tiene un espectro característico; por tanto, un modelo atómico debería ser capaz de justificar el espectro de cada elemento .

TEORÍA CUÁNTICA DE PLANCK La teoría cuántica se refiere a la energía: Cuando la energía está en forma de radiación electromagnética (es decir, de una radiación similar a la luz), se denomina energía radiante y su unidad mínima recibe el nombre de fotón . La energía de un fotón viene dada por la ecuación de Planck : E = h · ν h: constante de Planck = 6.62 · 10 -34 Joule · segundo ν : frecuencia de la radiación Cuando una sustancia absorbe o emite energía, no puede absorberse o emitirse cualquier cantidad de energía, sino que definimos una unidad mínima de energía, llamada cuanto (que será el equivalente en energía a lo que es el átomo para la materia). O sea cualquier cantidad de energía que se emita o se absorba deberá ser un número entero de cuantos. Max Planck (1858-1947) 1918

La frecuencia mínima para extraer un electrón de un átomo (efecto fotoeléctrico) se denomina “ frecuencia umbral “  o ”. Einstein, aplicando la hipótesis de Plank, elaboró la teoría corpuscular , en la que suponía que la luz estaba formada por partículas ( fotones ) cuya energía venía determinada por E = h  . Teoría corpuscular Albert Einstein (1879-1955) 1921

Si dicha energía se igualaba o superaba a la energía de ionización se producía la ionización del electrón. Si se suministra una radiación de mayor frecuencia, el resto de la energía se transforma en energía cinética del electrón: La frecuencia mínima para extraer un electrón de un átomo (efecto fotoeléctrico) se denomina frecuencia umbral “  o”.

Los electrones giran alrededor del núcleo únicamente en órbitas permitidas (radios cuantizados)

Atomo de Böhr electrones en órbitas núcleo

Niveles permitidos (para el átomo de hidrógeno) Energía n = 1 E = –21,76 · 10 –19 J n = 2 E = –5,43 · 10 –19 J n = 3 E = –2,42 · 10 –19 J n = 4 E = –1,36 · 10 –19 J n = 5 E = –0,87 · 10 –19 J n =  E = 0 J

Absorción Emisión

Espectro de absorción Espectro de emisión

Cada línea espectral se correspondería con un salto de una órbita a otra para lo cual precisa una cantidad exacta de energía que se corresponde con una determinada frecuencia.

Correcciones al modelo de Böhr: números cuánticos. En el modelo original de Böhr, se precisa un único parámetro (el número cuántico principal, n), que se relaciona con el radio de la órbita circular que el electrón realiza alrededor del núcleo, y también con la energía total del electrón. n indica los diferentes niveles electrónicos (órbitas estacionarias en el modelo de Bohr). Los valores que puede tomar este número cuántico principal son los enteros positivos: 1, 2, 3... Sin embargo, pronto fue necesario modificar el modelo para adaptarlo a los nuevos datos experimentales, aparición de nuevas rayas espectrales con lo que se introdujeron otros tres números cuánticos para caracterizar al electrón: número cuántico secundario o azimutal (l) número cuántico magnético (m) número cuántico de espín (s)

Número cuántico secundario o azimutal (L): corrección de Sommerfeld En 1916, Sommerfeld modificó el modelo de Böhr considerando que las órbitas del electrón no eran necesariamente circulares, sino que también eran posibles órbitas elípticas ; esta modificación exige disponer de dos parámetros para caracterizar al electrón. Una elipse viene definida por dos parámetros, que son los valores de sus semiejes mayor y menor. En el caso de que ambos semiejes sean iguales, la elipse se convierte en una circunferencia. Así, introducimos el número cuántico secundario o azimutal ( l ), cuyos valores permitidos son: L= 0, 1, 2, ..., n – 1 Por ejemplo, si n = 3 , los valores que puede tomar L serán: 0, 1, 2 El desdoblamiento de algunas rayas espectrales observado con las mejoras técnicas de algunos espectroscopios llevó a la necesidad de justificar estas nuevas rayas y por tanto de corregir el modelo de Bohr.

Número cuántico magnético (m). Indica las posibles orientaciones en el espacio que puede adoptar la órbita del electrón cuando éste es sometido a un campo magnético externo (efecto Zeemann). Valores permitidos: - L, ..., 0, ..., + L Por ejemplo, si el número cuántico secundario vale L= 2 , los valores permitidos para m serán: -2, -1, 0, 1, 2 El efecto Zeemann se debe a que cualquier carga eléctrica en movimiento crea un campo magnético; por lo tanto, también el electrón lo crea, así que deberá sufrir la influencia de cualquier campo magnético externo que se le aplique. Aplicando un campo magnético a los espectros atómicos las rayas se desdoblan lo que indica que deben existir diferentes orientaciones posibles . Número cuántico de espín (s). Indica el sentido de giro del electrón en torno a su propio eje. Puede tomar sólo dos valores para el electrón: +1/2, -1/2.

Los orbitales f (l=3) también tienen un aspecto multilobular. Existen siete tipos de orbitales f (que corresponden a m=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Los orbitales d (l=2) también están formados por lóbulos. Hay cinco tipos de orbitales d (que corresponden a m=-2, -1, 0, 1, 2) Los orbitales p (l=1) están formados por dos lóbulos idénticos que se proyectan a lo largo de un eje. Hay tres orbitales p (m=-1, m=0 y m=+1) Los orbitales s (l=0) tienen forma esférica. La extensión de este orbital depende del valor del número cuántico principal Forma de los orbitales atómicos

Para nombrar un orbital: 1. Se indica el nivel que es el número cuántico principal n 2. Los valores del número cuántico L (subnivel) indican la letra del orbital que corresponde: (L=0 es s ; L=1 es p ; L=2 es d ; L=3 es f ) 3. Como superíndice se pone un número que indica el número de electrones que hay en el orbital Por ejemplo 3s 2 Configuraciones electrónicas Se llama CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA de un átomo a la distribución de sus electrones en los diferentes orbitales , teniendo en cuenta que se van llenando en orden creciente de energía y situando 2 electrones como máximo en cada orbital .

El orden exacto de llenado de los orbitales se estableció experimentalmente, principalmente mediante estudios espectroscópicos y magnéticos, y es el orden que debemos seguir al asignar las configuraciones electrónicas a los elementos. El orden de llenado de orbitales es: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 7s 2 5f 14 6d 10 7p 6 Para recordar este orden más fácilmente se puede utilizar el diagrama siguiente (diagrama de Mouller): Colocación de los electrones en un diagrama de energía (II)

1 s 2 s 3 s 2 p 3 p 4 f Energía 4 s 4 p 3 d 5 s 5 p 4 d 6s 6 p 5 d n = 1; l = 0; m = 0; s = – ½ n = 1; l = 0; m = 0; s = + ½ n = 2; l = 0; m = 0; s = – ½ n = 2; l = 0; m = 0; s = + ½ n = 2; l = 1; m = – 1; s = – ½ n = 2; l = 1; m = 0; s = – ½ n = 2; l = 1; m = + 1; s = – ½ n = 2; l = 1; m = – 1; s = + ½ n = 2; l = 1; m = 0; s = + ½ n = 2; l = 1; m = + 1; s = + ½ n = 3; l = 0; m = 0; s = – ½ n = 3; l = 0; m = 0; s = + ½ n = 3; l = 1; m = – 1; s = – ½ n = 3; l = 1; m = 0; s = – ½ n = 3; l = 1; m = + 1; s = – ½ n = 3; l = 1; m = – 1; s = + ½ n = 3; l = 1; m = 0; s = + ½ n = 3; l = 1; m = + 1; s = + ½ n = 4; l = 0; m = 0; s = – ½ n = 4; l = 0; m = 0; s = + ½ n = 3; l = 2; m = – 2; s = – ½ n = 3; l = 2; m = – 1; s = – ½ n = 3; l = 2; m = 0; s = – ½ n = 3; l = 2; m = + 1; s = – ½ n = 3; l = 2; m = + 2; s = – ½ n = 3; l = 2; m = – 2; s = + ½ n = 3; l = 2; m = – 1; s = + ½ n = 3; l = 2; m = 0; s = + ½ n = 3; l = 2; m = + 1; s = + ½ n = 3; l = 2; m = + 2; s = + ½ n = 4; l = 1; m = – 1; s = – ½ n = 4; l = 1; m = 0; s = – ½ n = 4; l = 1; m = + 1; s = – ½ n = 4; l = 1; m = – 1; s = + ½ n = 4; l = 1; m = 0; s = + ½ n = 4; l = 1; m = + 1; s = + ½ n = ; l = ; m = ; s =

Quarks Fueron predichos teóricamente en 1961 por M. Gell-Mann y Y. Ne‘eman. Serían los constituyentes fundamentales del protón y neutrón . Fueron observadas experimentalmente en colisiones electrón-protón en DESY (Hamburgo) hacia 1968. Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos han denominado de la siguiente manera: "up" ( arriba ), "down" ( abajo ), "charm" ( encanto ), "strange" ( extraño ), "top" ( cima ) y "bottom" ( fondo ). Murray Gell-Mann ( 1929- ) 1969 Yuval Ne’eman ( 1925-2006 ) En los últimos años de su vida Einstein trató de escribir una teoría que unificara la gravedad con las otras teorías, pero no lo logró. Quizás los físicos puedan en el futuro llevar a cabo el sueño de Einstein, de una teoría completamente unificada de todas las interacciones

Si esta figura estuviera dibujada a escala, con un diámetro de 1 centímetro para los protones y neutrones, entonces los electrones y los quarks serían más pequeños que el diámetro de un pelo y el diámetro del átomo entero sería más grande que el largo de 30 campos de fútbol.

CERN 2300 empleados (-> 2000) 20 estados miembros + US, Canada, Japan, Russia, China, India, ... Aceleradores (LHC, 2007) Detectores (Atlas, cms, lhcb, alice) El CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas) es el laboratorio internacional donde fueron descubiertos los bosones W y Z. El CERN es el lugar donde nació la World-Wide Web. El LHC (gran colisionador de hadrones, ver abajo) buscará los bosones Higgs y nuevas partículas y fuerzas fundamentales. Uno de los cuatro trenes monorriel, suspendido del techo del túnel del LEP, que tiene 27 km de largo. Tres trenes como éste circulan en el túnel, transportando cosas y personas.

LHC tunnel, magnets

Colisión partículas

Trayectorias de partículas elementales en el detector del LEP-CERN Esta es la fotografía, obtenida en una cámara de burbujas verdadera, de un antiprotón (entrando por la parte inferior de la figura) que colisiona con un protón (en reposo) y se aniquila. Ocho piones fueron producidos en esta aniquilación . Uno decae en un + y un . Los piones positivos y negativos se curvan de modo diferente en el campo magnético.

fin