Apuntes de Química

CAPITULO 4 ESTRUCTURA DE LOS ATOMOS Ing. Alfredo Luis Rojas B.

Aproximadamente 400 a.C. el filosofo griego Democrito sugirió que toda la materia esta formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuales llamo átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a finales del siglo dieciocho comenzaron a ser aceptadas. En 1908 el maestro ingles, John Dalton, publico las primeras ideas “modernas” acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Esas ideas forman base de la teoría atómica de Dalton. Los postulados de Dalton se pueden enunciar en la siguiente forma: Un

elemento

esta

compuesto

de

partículas

pequeñas e indivisibles llamadas átomos Todos los átomos de un elemento dado tiene propiedades idénticas, las cuales difieren de los átomos de otros elementos. Los átomos de un elemento no puede crearse, destruirse o transformarse en átomos de otros elementos Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre si en una proporción fija. (Whitten :35)

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4.1 Estructura del Átomo Dalton descubrió un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, un aserie de investigaciones iniciadas alrededor de 1850, y que continuaron hasta nuestro días demostraron claramente que los átomos tienen una estructura interna, es decir, que están formados por partículas aun mas

pequeñas,

llamadas

partículas

subatómicas.

Estas

investigaciones

condujeron al descubrimiento de tres partículas: Electrón (e-) Protón (p+) Neutrón (n º)

Protón

Electrón

Neutrón

Figura 4.1 Representación de las partículas fundamentales de la materia De acuerdo a Whitten (2003:88) podemos ver la diferencia de masa

de las

partículas atómicas de acuerdo al siguiente cuadro: Cuadro 4.1 Partículas Fundamentales de la Materia Partícula

Masa

Carga

Electrón (e-)

0.00054858 uma

-1

Protón (p+)

1.0073 uma

+1

Neutrón (nº)

1.0087 uma

ninguna

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4.1.1

Descubrimiento del Electrón

La evidencia mas convincente de la existencia de electrones se obtuvo mediante los experimentos con tubos de rayos catódicos. Dos electrones se sellan en un tubo de vidrio que contiene gas a la presión muy baja. Al aplicar voltaje alto hay flujo de corriente y se desprende rayos en el cátodo (electrodo negativo); estos rayos viajan en línea recta al ánodo (eléctrodo positivo) y ocasionan que las paredes opuestas al cátodo brillen. (Tal como se muestra en la figura 4.2)

Rayos catódicos

Cátodo

Ánodo Vacio

Figura 4.2 Esquema de un Tubo de rayo catódico Fuente: Zubieta (1994: 8)

Si se colocara un objeto en la trayectoria

(véase en la fig.4.3) de los rayos

catódicos proyectan sobre la pantalla de sulfuro de zinc que se encuentra cerca del ánodo. Esta sombra muestra que los rayos viajan del cátodo hacia el ánodo; por lo tanto, deben tener una carga negativa.

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Ánodo Cátodo

Sombra Figura 4.3 Un pequeño objeto que se coloca en la trayectoria de los rayos catódicos Fuente: Whitten (2004:89) En 1987, J.J Thomson estudio estas partículas con cargas negativas más a fondo. Las llamo electrones, nombre que Stoney había sugerido en 1981. Al estudiar el grado de deflexión de los rayos catódicos en distintos campos magnéticos y eléctricos. De acuerdo con los experimentos realizados por Thomson determino la relación entre la carga (e) y la masa (m) de los electrones. El valor actual de esta relación es: (Witten 2004:88)

e/m = 1.7588 * 108 coulombs por gramo Nota: El coulomb (C) es la unidad estándar de cantidad de carga eléctrica. Se define como la cantidad de electricidad que se transporta en un segundo por una corriente de un amperio.

4.1.2 El Protón Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersión de partículas alfa utilizando un nuevo modelo de átomo. Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones

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4.1.3 Neutrones El neutrón es una partícula sin carga, con masa ligera mayor que la del protón. Con su descubrimiento, se describió completamente el átomo nuclear: los átomos constan de núcleos muy pequeños y sumamente densos rodeados por nubes de electrones a distancias relativamente grandes del núcleo. Todos los núcleos contienen protones y neutrones. Los diámetros nucleares son de aproximadamente 10-4 Angstroms.

4.2 Número Atómico, Número de masa e Isótopos Todos los átomos pueden identificarse por el número de protones u neutrones que contienen, el numero atómico (Z) es el numero de protones en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones. La identidad química de un átomo queda determinada por su número atómico

El número de masa (A) es el número de protonones y neutrones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma mas común del hidrogeno, que tiene un protón y no tiene neutrones. En general, el número de neutrones esta dado por: (Raymond Chang 2003:43)

Numero de masa = numero de protones + numero de neutrones A = Z+ n o

(4.1)

La forma aceptada de denotar para denotar el número atómico y el número de masa de un elemento (E) es como sigue:

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Número de masa

Número de atómico Figura 4.4 Representación de la denotación del número de masa y número atómico para un elemento cualquiera

Ejemplo 4.1 Determinación de las partículas fundamentales de un elemento Determinar la cantidad de protones, electrones, neutrones para el elemento Sodio Solución: De acuerdo con la tabla periódica y utilizando la representación de la figura 4.4

23 11

Na

Entonces: el numero atómico Z es igual a 11 y el número de masa A es igual a 23 El numero de protones p+ = 11 y electrones e- = 11. Para el calculo de neutrones se aplica la ecuación 4.1 ( 23 = 11+ nº ; entonces nº = 23-11) El número de neutrones nº = 12

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Ejemplo 4.2 Determinación de las partículas fundamentales de un compuesto Determinar la cantidad de Protones, electrones, neutrones del agua H2 O Solución: De acuerdo con la tabla periódica y utilizando la representación de la figura 4.3

1 1

H

16 8

O

Descomponiendo el compuesto H à p+ = 1 e- = 1 nº = 0 H à p+ = 1 e- = 1 nº = 0 O à p+ = 8 e- = 8 nº = 8 La cantidad total de protones p+ = 1+1+8 = 10 p+ La cantidad total de electrones e- = 1+1+8 = 10 eLa cantidad total de neutrones nº = 0+0+8 = 8 nº

Ion Un ion es un átomo o agrupaciones de átomos que ha perdido o ganado electrones. Los iones que ha perdido electrones son los cationes o iones con carga positiva

Cuadro 4.2 Ejemplos de cationes o iones con carga positiva Ion hidrogeno

H+

Ion sodio

Na+

Ion calcio

Ca+2

Ion hierro

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Fe+3

Ion aluminio

Al+3

Ion estaño IV

Sn+4

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Apuntes de Química Los iones que han ganado electrones son los aniones o iones con carga negativa Cuadro 4.2 Ejemplos de aniones o iones con carga negativa Ion hidróxido

OH-

Ion fluoruro

F-

Ion nitruro

N-

Ion oxido

O-2

Ion boruro

B -3

Ion cloruro

Cl -

Ejemplo 4.3 Determinación de las partículas fundamentales de ion Determinar la cantidad de Protones, electrones, neutrones del ion fluoruro F Solución: De acuerdo con la tabla periódica y utilizando la representación de la figura 4.3

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F

Representando la perdida o ganancia de electrones del ion o

F → F −1

0-(-1) = +1 e- (gana un electrón)

La cantidad de protones p+ = 9 La cantidad de electrones e- = 9+1 = 10 La cantidad de neutrones nº = 10 =

Isótopo La mayoría de los elementos tiene dos o más isótopos, átomos que tienen el mimo número atómico pero diferente número de masa. Por ejemplo, existe tres isótopos de hidrogeno. Uno de ellos, que se conoce como hidrogeno, tiene un protón y no tiene neutrones. El isótopo llamado deuterio contiene un protón y un neutrón, y el tritio tiene un protón y dos neutrones Prof. A. Luis Rojas Barquera

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Apuntes de Química Así, para los isótopos de hidrogeno se escribe:

1 1

H hidrogeno

2 1

M deuterio

3 1

M tritio

Figura 4.5 Representación de los tres hisopos de hidrogeno Fuente: Enciclopedia en carta 2003

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