Apuntes de Física y Química (4ºESO) Tema 7: Átomo, sistema periódico y propiedades Las partículas elementales. Descubrimiento del electrón, el protón, el neutrón Concepto de número atómico y número másico Las teorías atómicas. Modelo atómico de Dalton Modelo atómico de Thomson Modelo nuclear del átomo (Rutherford) Modelo atómico de Bohr Modelo atómico actual (Schrödinger) Ordenación de los elementos. Sistema periódico Configuración electrónica. Propiedades periódicas. Más prácticas, explicaciones teóricas, apuntes… en http://fisicayquimicaenflash.es -1- Se trata de partículas con las siguientes propiedades: Más prácticas. F = q·E = m·a . a = q·E/m 2 2 h = ½ a·t = ½ q·E·t /m 1. Como consecuencia se llegó a la conclusión de que forman parte de toda la materia.Apuntes de Física y Química (4ºESO) LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Descubrimiento del electrón Tiene lugar en 1897 (J. Reciben el nombre de electrones. En el tubo se emite desde el cátodo una radiación que se propaga en línea recta 2. Se llaman así porque aparecen en este caso cuando el ánodo está perforado. La trayectoria indica que tiene masa puesto que presenta inercia. Thomson) en el tubo de rayos catódicos. La distancia d es recorrida en un tiempo t a velocidad constante v: luego t = v/d sustituyendo: 2 2 h = ½ q·E·v /(m·d ) La relación carga masa del electrón viene dada por: 2 4. El protón Haciendo el estudio de descargas en un tubo similar al de rayos catódicos con la diferencia de que se cambia la posición relativa del ánodo y el cátodo se observa la aparición de los rayos canales. 3. Estas partículas tienen carga negativa y masa muy pequeña.es -2- . Al hacerla pasar por el campo eléctrico se desvía de forma que indica que su signo es negativo. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. Manteniendo el campo E se añade un campo magnético que desvía la radiación en sentido contrario: q·E =q·v·B de donde v = E/B sustituyendo: 2 2 Thomson logra determinar la relación carga masa de estos rayos y resulta ser igual para cualquier gas que llene el tubo.J. explicaciones teóricas. Más prácticas. La mayor parte de los elementos presentan varios isótopos. explicaciones teóricas. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. se llaman isótopos de ese elemento.Apuntes de Física y Química (4ºESO) 1 Los rayos canales tienen carga positiva puesto que son atraídos por el electrodo negativo. La relación de tamaño núcleo átomo se compara con la relación de tamaño entre una bola de golf y un campo de fútbol. debido a que es una partícula sin carga fue mucho más difícil detectarla. difieren en el número de neutrones. 2 Tienen masa (se observa inercia) y ésta es mucho mayor que la del electrón. unos son estables y otros son radiactivos y alcanzan la estabilidad por emisión de radiaciones. NÚMERO ATÓMICO Y MÁSICO El modelo atómico nuclear de Rutherford plantea un átomo prácticamente vacío. 3 La relación carga masa en los mismos depende del gas que llena el tubo. Sin embargo. los electrones tienen la carga negativa que compensa a la positiva del núcleo. Poco después del establecimiento del modelo nuclear del átomo el mismo Rutherford planteó la necesidad de su existencia. circulando alrededor de él.es -3- . Por todo el espacio correspondiente a las gradas y el resto del campo se moverían unos mosquitos pequeños (los electrones). Los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico aunque puede haber átomos del mismo elemento que tengan diferente número másico. El neutrón El neutrón fue descubierto en 1932 por Chadwick (alumno de Rutherford). Cuando el tubo está lleno de hidrógeno estas partículas son protones. el núcleo contendrá protones y neutrones cuya masa es la práctica totalidad de la masa del átomo y. Basándose en las leyes de conservación de la masa (Lavoisier) y de las proporciones definidas (Proust) deduce su teoría atómica: 1. Thomson Premio Nobel de Física (1906) “En reconocimiento a sus estudios teóricos y experimentales de la conducción de la electricidad en gases” Como se vio anteriormente. Thomson considera que los electrones estarán imbuidos dentro del átomo. concepto que será introducido posteriormente por Avogadro) TEORÍA ATÓMICA DE THOMSON J. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. lleva a replantear el modelo atómico de Dalton. Los átomos del mismo elemento tienen iguales la masa y el resto de las propiedades. Los átomos de distintos elementos tienen distintas estas propiedades. La materia está formada por átomos indivisibles e indestructibles. 3.J. el descubrimiento del electrón y su caracterización cálculo de carga y masa por parte de J. explicaciones teóricas.J. Thomson. Cuando un átomo neutro capta uno o más electrones queda cargado negativamente mientras que adquiere carga positiva cuando pierde uno o más electrones. 4. 2. Más prácticas. Este tendría carga positiva en cantidad suficiente para neutralizar la carga negativa de los electrones que contiene.Apuntes de Física y Química (4ºESO) LAS TEORÍAS ATÓMICAS A continuación se muestra un resumen de las distintas teorías atómicas a lo largo de los años: 1808 John Dalton deduce. Cuando dos o mas átomos de distintos elementos se unen forman otro átomo de un compuesto químico (habla de átomos y no de moléculas.es -4- . en 1801 la ley de las proporciones múltiples y la ley de las presiones parciales. es -5- . pasaban muchas horas en un cuarto a oscuras observando el centelleo de las partículas α cuando impactaban sobre una superficie fosforescente. Geiger y Marsden. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. en 1909. Estos átomos no pueden ser los que plantea el modelo de Thomson puesto que las partículas pasarían a través de ellos sin sufrir desviaciones.Apuntes de Física y Química (4ºESO) MODELO NUCLEAR DE RUTHERFORD En 1908 Ernst Rutherford recibe el premio Nobel de Química “por sus investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de sustancias radiactivas”. A partir de los resultados experimentales de dos alumnos suyos. explicaciones teóricas. En primer lugar considera que las partículas chocan con los átomos que forman la lámina de oro. ¿En qué consistía el experimento? En principio hay que decir que lo que se intentaba estudiar era otra cosa. Hay que decir que los experimentadores Geiger y Marsden. llegó al modelo nuclear del átomo. Rutherford interpretó los resultados. La mayoría de las partículas pasan sin desviarse Aproximadamente el 10% de ellas se desvían ligeramente Solamente una de cada 10000 se refleja La única explicación plausible sería considerar que la materia está mayoritariamente vacía. que los átomos tienen un núcleo central que concentra casi toda la masa del Más prácticas. concretamente la difracción de la radiación α (alfa) por una lámina muy fina de oro. los electrones son partículas cargadas que giran en torno al núcleo. están cuantizadas. sin emitir ni absorber energía. Interpretando cada raya espectral como una transición de un nivel energético a otro. La primera de las discordancias del modelo de Rutherford queda superada. Si el electrón no puede emitir ni absorber energía el átomo es estable. Como consecuencia de ello el electrón describiría una órbita cada vez de menor radio hasta llegar a caer sobre el núcleo. Solamente aquellas en las que el momento angular del electrón es un múltiplo entero de ħ (h/2π) siendo h la constante de Planck mvr = n h/(2 π) Más prácticas. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. explicaciones teóricas. Las partículas cargadas sometidas a una aceleración emiten energía.es -6- . Duraría alrededor de una diezmillonésima de segundo (10-7 s). Para salvar todos estos problemas Bohr establece su modelo atómico que se basa en tres postulados: • Los electrones giran en torno al núcleo en órbitas circulares estacionarias. podemos ver que no todas las órbitas son posibles. En este caso el electrón emitiría energía que la adquiere de él mismo y que hace que su contenido energético sea cada vez menor. Es decir. Los cuerpos que giran están sometidos a una aceleración (aceleración normal o centrípeta).Apuntes de Física y Química (4ºESO) átomo y la carga positiva y una corteza de diez a cien mil veces mayor por la que circulan los electrones. Además está el problema de los espectros atómicos. • Las órbitas no pueden ser cualesquiera. Esto ocurriría en un periodo muy corto de tiempo con lo que el átomo descrito por Rutherford no sería estable. MODELO DE BOHR El modelo atómico de Rutherford tiene el problema de su estabilidad. Por esta razón se le fueron añadiendo correcciones a medida que éstas iban surgiendo. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. 2. La función de onda que Más prácticas.Apuntes de Física y Química (4ºESO) n es el número cuántico principal que toma valores enteros positivos 1. Para cada nivel energético n las elipses no podían tener cualquier excentricidad sino que solo valían algunas. Una segunda corrección tuvo en cuenta la distinta orientación espacial de las órbitas para lo cual se introdujo otro número cuántico (no podían tener cualquier orientación) y por último hubo la necesidad de introducir el número cuántico magnético de spin (±½) (una forma de cuantizar la rotación electrónica sobre si mismo) Fue E. basándose en la hipótesis de la dualidad onda corpúsculo de Louis de Broglie y el principio de incertidumbre de W. explicaciones teóricas.E0 = h ν La combinación del segundo y tercer postulados explicarán perfectamente la formación de espectros discontinuos del hidrógeno y coinciden asombrosamente los valores de las frecuencias de los mismos con las predichas por los postulados. En este caso era el valor de un número cuántico k (azimutal) cuyos valores eran enteros desde 0 hasta n .es -7- . 3… • Cuando un electrón cambia de órbita emite o absorbe una cantidad de energía que es igual a la diferencia entre las energías de la posición final e inicial e igual a hν (siendo ν la frecuencia de la onda emitida). MODELO ATÓMICO ACTUAL El modelo atómico de Bohr también presentaba algunas dificultades a la hora de interpretar algunos resultados experimentales. La primera corrección la realizó Sommerfeld que añadió la posibilidad de existencia de órbitas elípticas. Ef . estableció una teoría en la que explicaba que el comportamiento de las partículas podría definirse mediante una ecuación de la onda que las acompañaba. Heisenberg. Nuevamente estamos ante una cuantización. Precisamente esta fué la comprobación que dió validez al modelo de Bohr.1. Schrödinger quien. ..l. Por otra parte se establece una relación entre el cuadrado de esta función de onda (Ψ2) y la probabilidad de encontrar la partícula en una zona del espacio.1.Apuntes de Física y Química (4ºESO) describe el comportamiento de una partícula es Ψ. l y ml) el cuarto número cuántico es el destinado a definir ya la partícula (el electrón)..número cuántico secundario (l = 0....es -8- . De esta forma. 4.número cuántico magnético de spin (±½) no surgen ahora a remolque de resultados experimentales que obligan a hacer modificaciones en el modelo.. Esa zona se corresponde con los valores de tres números cuánticos (n.1) • ml . 3. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash.número cuántico magnético (ml = . sino que son condicionantes matemáticos para que los operadores al aplicarse a la función de onda tengan una solución real. -(l -1). aplicando operadores matemáticos a esa función de onda. explicaciones teóricas. Esa zona de máxima probabilidad se llama orbital. 1... podría conocerse la información relativa a las distintas magnitudes físicas asociadas a la citada partícula.. Lo bueno. Más prácticas... . 2. 2. de esta nueva teoría es que los números cuánticos que ahora son: • n .. (Igual que para que el operador logaritmo o raíz cuadrada obliga a que para tener solución real el número al que se aplica sea positivo. l ) • ms .) • l . Como dentro del mismo átomo no puede haber dos partículas con los cuatro números cuánticos iguales (Principio de exclusión de Pauli) podemos deducir que en cada orbital caben solamente dos electrones. n . MUY BUENO.. l ....número cuántico principal (n = 1. 0. En el sistema periódico actual los elementos se ordenan por su número atómico. Además hace otra cosa. Puesto que se supone que la hizo sin conocimiento del trabajo del primero se suele atribuir la tabla periódica a ambos químicos. Más prácticas. que estableció la forma de conocer el número atómico de los elementos midiendo la frecuencia de los rayos X que éstos producían. los huecos hacían predecir la existencia de elementos químicos que mas tarde se descubrieron y cuyas propiedades coinciden con las predichas antes de su descubrimiento. Tuvo una vida muy corta pues.es -9- . Por otra parte tuvo que alterar la colocación de algunos elementos para que las propiedades coincidieran. Hay dieciocho grupos y siete periodos. Henry Moseley. a los 27 años.Apuntes de Física y Química (4ºESO) ORDENACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS Los elementos químicos (unos 118) se tratan de ordenar. resultó muerto por un disparo en la frente durante la I Guerra Mundial. Desaparecen las alteraciones de orden en elementos que tenían que producirse en la tabla de Mendeleiev. Sorprendentemente. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. Esta ordenación se debe a un químico inglés. Desde un principio se hicieron agrupaciones buscando coincidencias en las propiedades. La tabla periódica actual está ordenada en grupos (columnas de elementos con propiedades químicas similares) y periodos (filas de elementos en las que se produce una variación gradual de las propiedades). explicaciones teóricas. Lothar Meyer hace una ordenación similar a la de Mendeleiev con un año de retraso. La primera vez que se ordenaron con éxito se debe a Mendeleiev (1969) que los ordena atendiendo a las masas atómicas. Si hubiese vivido más posiblemente habría hecho muchas más aportaciones a la Ciencia. Se especula con la idea de que esa es la razón por la que el Gobierno Inglés. desde entonces. Esto se hace atendiendo a las propiedades de los mismos. aquellos elementos que tienen propiedades químicas similares los coloca en el mismo grupo y cuando tenía que dejar algún hueco lo hacía. no permite que ningún científico se aliste en tiempo de guerra. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Los átomos están constituidos por protones y neutrones en el núcleo y por electrones en la corteza. los elementos de cada grupo tienen igual la configuración electrónica de la última capa Más prácticas. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. Como se puede observar más arriba. en los d hasta 10 y en los f 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f con lo que presentarán el mismo comportamiento químico ya 6s 6p 6d 6f que éste viene determinado exclusivamente por esta estructura 7s 7p 7d 7f electrónica más externa. 17 y dan a los elementos de los distintos grupos o 18 bloques en el Sistema Periódico. Esta es la regla de llenado o Aufbau. que corresponden a los elementos representativos. En los orbitales s caben 1s hasta 2 electrones. 14. en los p hasta 6. 16. Como hemos visto éstos se van colocando en los distintos niveles y subniveles en orden de energías crecientes. 15. explicaciones teóricas.es . hasta 14. 2. 13. La regla de llenado es la siguiente: "la suma de n + l debe ser mínima y en caso de coincidencia se llena primero el orbital de n menor".Apuntes de Física y Química (4ºESO) Los periodos son siete: • Primero muy corto (solamente contiene dos elementos) • Segundo y el tercero cortos con ocho elementos cada uno • Cuarto y el quinto largos (contienen dieciocho elementos cada uno) • Sexto y séptimo muy largos con treinta y dos elementos (hay que sumar a los 18 que se contarían los 14 que corresponden a los lantánidos o los actínidos) Como se puede ver los orbitales s y p se van En la tabla superior se ven los nombres que se llenando en los grupos 1.10 - . afinidad electrónica y electronegatividad Más prácticas. Y + P I → Y+ Según la configuración electrónica y la regla del octeto mencionada anteriormente parece lógico pensar que será más fácil arrancar el electrón más externo en el caso de los átomos que tienen en la última capa ns1 y a medida que avanzamos en un periodo este potencial de ionización irá creciendo. Por otra parte se produce un efecto de pantalla cada vez mayor en los electrones más externos por la presencia de otros electrones en niveles inferiores entre ellos y el núcleo.es . apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. Crecimiento del potencial de ionización. Por otra parte se observa que los elementos más estables son los gases nobles que poseen en su última capa ocho electrones. es decir. arrancar los electrones más externos cuanto más abajo estemos. Se deduce que el potencial de ionización crece de abajo hacia arriba en el mismo grupo. Será por tanto más fácil. explicaciones teóricas. PERIODICIDAD DE LAS PROPIEDADES Potencial de ionización se define como la energía necesaria por mol para formar un ión positivo cuando los átomos se encuentran en estado gaseoso. Parece lógico pensar que los átomos pueden alcanzar su máxima estabilidad logrando ocho electrones en esa última capa. dentro del mismo grupo.11 - .Apuntes de Física y Química (4ºESO) Regla del octeto Al hacer la configuración electrónica de los elementos químicos observamos que hay una periodicidad en la misma y que los elementos del mismo grupo en la Tabla Periódica presentan igual configuración electrónica en la capa más externa. de izquierda a derecha. es . Varía en la forma que lo hace la afinidad electrónica y el potencial de ionización. Más prácticas. explicaciones teóricas.También se ve que aumenta según aumenta el número atómico dentro del mismo grupo mientras en cada periodo aumenta de derecha a izquierda. También será mayor cuanto menor sea el efecto de pantalla de los electrones de las capas inferiores. Los máximos corresponden a los elementos del grupo 1 y los mínimos a los del grupo 17. Volumen atómico es función del radio atómico.12 - . como en el caso del potencial de ionización crece de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba. Es decir. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. Se deduce de la propia definición que se trata de una magnitud relativa. Electronegatividad se define como la capacidad que tiene un átomo para atraer el par electrónico compartido frente a otro átomo.Apuntes de Física y Química (4ºESO) Afinidad electrónica se define como la energía que se desprende por mol al formarse un ión negativo: X → X– + AE La afinidad electrónica será máxima en los elementos cuya configuración electrónica esté próxima a la de los gases nobles y mínima en los alcalinos. html 2.es: http://fisicayquimicaenflash.princast.htm Más prácticas.es . explicaciones teóricas. Este tema y sus explicaciones con animaciones flash fisicayquimicaenflash. apuntes… en http://fisicayquimicaenflash. En Fisquiweb: http://web.educastur.es/proyectos/fisquiweb/atomo/indexB.Apuntes de Física y Química (4ºESO) PARA AMPLIAR CONOCIMIENTOS Y ENTENDER MAS… INTERNET 1.13 - en .es/eso/4eso/atomo/atomo00.