2. Estructura atómica

Principal Arriba Enunciados

LAS SUSTANCIAS PURAS

  Las sustancias puras son sustancias con propiedades características constantes, como densidad, puntos de fusión o ebullición. Esto es así porque su composición es constante. Las sustancias puras las dividimos en elementos y compuestos químicos. Los elementos químicos no se pueden descomponer en sustancias más sencillas, como si le pasa a los compuestos químicos. De hecho el agua fue considerada durante mucho tiempo un elemento hasta que se supo descomponerla en hidrógeno y oxígeno.

Los elementos son sustancias que sólo tienen un tipo de elementos. Y los compuestos químicos son sustancias formadas por moléculas o redes cristalinas con una composición fija de elementos diferentes.

Hoy damos por sentado que existen los átomos que forman los elementos, pero ¿cómo se llegó a esta idea de la existencia de los átomos?

   Los filósofos griegos discutieron mucho acerca de la naturaleza de la materia, y concluyeron que el mundo era mucho más simple de lo que parecía. Leucipo, en el 440 a. C. aproximadamente, sostenía la teoría de que sólo había un tipo de materia. Pensaba que sí la materia "se cortaba" (se dividía) sucesivamente, llegaría un momento en que habría una porción que no se podría seguir dividiendo. Su discípulo, Demócrito, en el 400 a. C., llamó átomos a estos trozos de materia indivisible (átomo en griego significa indivisible). Empédocles, contemporáneo de Demócrito, postuló que la materia estaba formada por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. Aristóteles, que no creía en la existencia de los átomos, admitió la teoría de Empédocles y rechazó las teorías atomistas de Demócrito; su prestigio como filósofo consiguió que la teoría de los cuatro elementos prevaleciera en el pensamiento de la humanidad durante 2.000 años.

   Los alquimistas primero y los químicos posteriormente, aunque no conocían como estaba constituida la materia no por eso dejaron de realizar reacciones químicas. Una reacción química es un proceso en el cual unas sustancias (Reactivos) se convierten en otras (Productos). ¿Puede haber algo que llame más la curiosidad de una persona? ¿A quién no le gustó jugar con cerillas de pequeño?

MODELO ATÓMICO DE DALTON

   La teoría atómica de Dalton es el primer intento de explicar la materia a partir de partículas independientes, es un modelo de materia discontinua. 

   La materia se puede explicar a partir de un modelo de materia continua o de un modelo de materia discontinua. ¿Por qué escoger uno u otro?

   La idea de Dalton parte del estudio de las reacciones químicas. Una reacción química es un proceso en el que unas sustancias que llamamos reactivos se transforman en otras que llamamos productos. Seguramente si piensas en una reacción química te venga a la cabeza la combustión, es normal, el descubrimiento de fuego probablemente sea el acontecimiento que más nos marcó como especie. Al estudiar las reacciones químicas se encontraron unas regularidades que se conocen como leyes de las reacciones químicas.

Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) con su esposa Marie-Anne Pierrette Paulze

   Ley de conservación de la masa de Lavoisier: "Durante una reacción química la masa se mantiene constante, no se crea ni se destruye" Es decir, la masa se conserva en una reacción química.

   Observa esto en los siguientes datos que se obtienen de la reacción del hidrógeno y el oxígeno para dar agua:

Hidrógeno + Oxígeno → Agua

       1g       +       8g      →   9g

Joseph Louis Proust (1754-1826)

   Ley de las proporciones definidas de Proust: "Cuando dos elementos reaccionan para dar un compuesto lo hacen en una proporción fija en masa". Por lo tanto la materia no se combina en cualquier proporción.

Hidrógeno + Oxígeno → Agua

      1g         +      8g      →    9g

      2g         +       8g      →   9g    +   1g de Hidrógeno

      2g         +     18g      →  18g   +   2g de Oxígeno

   La proporción de hidrógeno a oxígeno es de 1:8. Si los reactivos no están en esa proporción siempre sobrará parte de los mismos.

  ¿Qué modelo de materia puede explicar estos hechos? Se pueden plantear dos hipótesis: 1º que la materia sea continua y 2º que la materia sea discontinua.   ¿Cuál crees tú que está más de acuerdo con los datos experimentales indicados antes?

John Dalton (1766-1844)

En 1808, John Dalton para explicar estas leyes experimentales propone un modelo basado en las siguientes hipótesis:

  • La materia está formada por partículas indivisibles, los átomos, que permanecen inalterables en cualquiera proceso químico.

  • Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí, en masa, tamaño y en cualquier otra propiedad, y distintos de los átomos de los otros elementos.

  • Los átomos se combinan entre ellos en una proporción constante en masa para formar moléculas. Las moléculas de un mismo compuesto son todas iguales entre sí.

  • En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni si destruyen, simplemente se combinan entre ellos de otra forma.

¿Cómo nos imaginamos los átomos de Dalton?

NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

   El átomo para Dalton era indivisible, pero los experimentos posteriores que llevaron al descubrimiento de las partículas fundamentales del átomo contradicen este modelo atómico de Dalton. 

   Michael Faraday estudiando la descomposición por electrólisis de algunas sustancias llega a la conclusión de que la materia tiene una naturaleza eléctrica. 

   Thomson estudiando la conductividad de gases en tubos de vidrio a baja presión descubre una partícula con carga negativa que recibe el nombre de ELECTRÓN

    En estudios semejantes se descubre una partícula positiva, el PROTÓN.

   Posteriormente estudiando la radioactividad artificial se descubre una partícula sin carga, el NEUTRÓN

   Las propiedades de estas partículas fundamentales se recogen en la siguiente tabla:

Partícula

Masa (kg)

Masa relativa Carga (C) Carga relativa

ELECTRÓN (e)

9,108.10−31

1

−1,6.10−19

−1

PROTÓN (p+)

1,672.10−27

1836

+1,6.10−19

+1

NEUTRÓN (n)

1,675.10−27

1839

0

0

 EJERCICIOS PARA PRACTICAR

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

¿Cómo están distribuidas estas partículas en el átomo?  

   Rutherford y Hans Geiger, su ayudante, en 1911 realizaron el siguiente experimento, utilizando un material radioactivo que emitía partículas alfa (positivas) las lanzaron contra un pan de oro de unas cuantas diezmilésimas de milímetro de grosor; aun así, constituía un muro de 2.000 átomos de anchura. Rutherford quería estudiar el comportamiento de la materia cuando era bombardeada con partículas lanzadas a gran velocidad. Para observar las trayectorias de las partículas después de chocar con la lámina dispuso una película fotográfica alrededor del experimento. 

Ernest Rutherford (1871-1937)

   ¿Qué observó? Prácticamente todas las partículas llegaron al otro lado en línea recta. Algunas, muy pocas, salían con un cierto ángulo, como una bola de billar golpeada de lado. Y una de cada 20.000 rebotaba incluso hacia atrás. 

   ¿Cómo explicamos estos hechos? Rutherford proponen el siguiente modelo. El átomo debe ser prácticamente hueco. Los electrones se mueven en órbitas alrededor de un núcleo, donde se encuentran los protones y está con­centrada la masa del átomo. Cuando las partículas alfa pasan cerca de un núcleo son desviadas por él al ser ambos positivos. En caso de colisión el núcleo, mucho más pesado que la partícula alfa, hace retroceder a la misma en sentido contrario. 

   En el átomo diferenciaremos dos zonas: el núcleo y la corteza. El núcleo es la parte central donde se sitúan los protones (positivos) y los neutrones (neutros). La corteza está formada por el resto del átomo y en ella están los electrones (negativos). Para que te des una idea de la desproporción que hay entre el nucleo y la corteza imagina que un átomo tiene un diámetro como de Vigo a Pontevedra, el núcleo sería como un balón de baloncesto situado en el punto medio. 

   El número de protones (positivos) del núcleo debe coincidir con el número de electrones (negativos) de la corteza en los átomos neutros.

ELEMENTOS QUÍMICOS E ISÓTOPOS

En las sustancias simples sólo hay átomos del mismo elemento. 

Los elementos que hay en la Naturaleza son unos 90, y fabricados por el hombre unos pocos más. Los tienes en la Tabla Periódica que estudiaremos después. Fíjate que todos tienen un nombre y un símbolo de hasta dos letras, la primera mayúscula y la segunda minúscula. Lee los nombres de los elementos procurando retener sus símbolos. 

No sé si te habrás hecho alguna vez esta pregunta: ¿Dónde se formaron los átomos que hay en la naturaleza? Puede que este vídeo te sorprenda:

¿Qué identifica a los átomos de un elemento, y hace que sean distintos a los demás? Moseley, en 1913, comprobó que todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo. Átomos de diferentes elementos químicos tendrán distinto número de protones. Este número de protones identifica a cada elemento. 

NÚMERO ATÓMICO es el número de protones que tiene el núcleo de cada uno de los átomos de un elemento químico. Se representa por la letra Z. 

Z = nº protones

Si el átomo es neutro también coincide con el número de electrones.

Los átomos de un mismo elemento químico pueden tener masas distintas, debido a que pueden tener distinto número de neutrones en el núcleo. Estos átomos se llaman isótopos de este elemento químico.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

ISÓTOPOS son los átomos de un mismo elemento que tienen distinto número de neutrones.

NÚMERO MÁSICO es la suma del número de protones y neutrones que tiene el núcleo de un átomo. Se representa por la letra A. 

A = nº protones + nº neutrones

Los isótopos de un elemento se representan por su símbolo, escribiendo a la izquierda como subíndice el número atómico, Z, y como superíndice el número másico, A.

Por ejemplo, el carbono presenta tres isótopos:

A partir de la notación de los isótopos podemos saber cuales son las partículas que posee un átomo.

Llamaremos estructura atómica a la descripción de las partículas de un átomo distribuidas entre la corteza y el núcleo.

Ejemplo 1: ¿Cuál es la estructura atómica del átomo 2311Na?  

Ejemplo 2: ¿Cuál es la estructura atómica del ión 3717Cl- ?

Ejemplo 3: ¿Cuál es la estructura atómica del ión 5626Fe2+ ?

SIMULACIÓN: ESTRUCTURA ATÓMICA, en phet.colorado.edu

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Seguro observaste en la Tabla Periódica que no viene el número másico, aunque sí otro número de valor próximo y varios decimales, es la masa atómica. La masa atómica es la masa de un átomo de un elemento. ¿Cómo se determina? La masa del átomo es debida sobre todo a los protones y neutrones ya que los electrones tienen una masa despreciable frente a estos. La masa atómica no se expresa en kilogramos, ya que los valores serían demasiado pequeños, necesitamos una unidad de comparación más próxima a la masa de los átomos. Se escogió, inicialmente, como unidad de masa atómica la masa del átomo de hidrógeno. La unidad de masa atómica se define actualmente como:

Unidad de masa atómica es la doceava parte de la masa del 126C, equivale a la masa de un protón o un neutrón, aproximadamente. Se representa por u.

Pero como no son iguales todos los átomos de un elemento la masa atómica es la masa media ponderal de todos los isótopos del elemento.

Ejemplo 4: Calcula la masa atómica del cloro sabiendo que tiene los siguientes isótopos 3517Cl   3717Cl , que se presentan en la naturaleza con una abundancia del 75,5% y del 24,5%, respectivamente.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA

La pregunta siguiente es cómo se distribuyen los electrones alrededor del núcleo. Podemos decir que los electrones se distribuyen por capas electrónicas. Cada elemento tiene un electrón más que su elemento anterior. Y los gases nobles, y esto es muy importante, se caracterizan por tener las capas electrónicas completas para el número de electrones que tienen, es decir, cuando pasamos de un gas noble al siguiente elemento siempre se inicia una nueva capa. 

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Según el modelo más actual del átomo estos electrones se distribuyen en orbitales, que son zonas alrededor del átomo en las que es muy probable encontrar al electrón. Estos orbitales surgen de considerar que el electrón se puede comportar en los átomos como partícula y como onda, lo que se conoce como dualidad onda-partícula, que ya estudiarás más adelante. 

Para conocer la configuración electrónica, es decir cómo se reparten los electrones entre los distintos orbitales, será suficiente conocer unas pocas reglas que seguirás estudiando y profundizando en cursos posteriores. 

1. Los electrones se distribuyen por capas desde la de más baja energía, la 1, a las siguientes.

2. En cada capa hay distintos tipos de orbitales. Estos pueden ser orbitales s, orbitales p, orbitales d y orbitales f.

3. En cada capa hay tantos tipos de orbitales como indica el número de la capa. Así en la capa 1 sólo hay orbitales s, en la 2 orbitales s y p, en la 3 orbitales s, p y d, y en la 4 orbitales s, p, d y f.

4. En cada capa el orbital s es único, el p aparece en grupos de 3, el d en grupos de 5 y el f en grupos de 7. Son lo que se conoce como orbitales degenerados o de misma energía.

5. En cada orbital sólo caben 2 electrones como máximo.

6. En cada capa los orbitales tienen distintas energías, los s son los de más baja energía, los p los siguientes en energía y le siguen los d y los f.

7. Para escribir las configuraciones electrónicas de los átomos, sólo necesitamos saber el número de electrones que tienen y seguir los que se conoce como la regla de llenado de orbitales.

Los electrones van llenando los orbitales, llenando primero los de más baja energía.

SIMULACIÓN: CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA 1, en educaplus.org

SIMULACIÓN: CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA 2, en educaplus.org

Ejemplo 5: Escribe las configuraciones electrónicas de los siguientes átomos: Li, N, Mg, Cl, Fe, Sn y Hg.

[3Li]  = 1s2 2s1

Recuerda que llenamos los orbitales siguiendo las diagonales de abajo a arriba. y que en cada orbital caben como máximo 2 electrones.

[7N]  = 1s2 2s2 2p1 2p1 2p1

Recuerda que los orbitales p siempre aparecen de tres en tres. Cuando encuentres orbitales de misma energía, como estos 3 orbitales p, se sigue otra regla, conocida como regla de máxima multiplicidad, y dice que no se llena un orbital de este conjunto mientras haya orbitales vacíos. 

[12Mg]  = 1s2 2s2 2p2 2p2 2p2 3s2 

[17Cl]  = 1s2 2s2 2p2 2p2 2p2 3s2 3p2 3p2 3p1 

Los orbitales degenerados debemos escribirlos separados si no están completos, si están llenos podemos agruparlos, pero recuerda que 2p6 = 2p2 2p2 2p2 y no significa que haya 6 electrones en un orbital 2p. Por eso también podríamos escribir el cloro de esta forma:

[17Cl]  = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 3p2 3p1 

[26Fe]  = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 3d1 3d1 3d1 3d1 

Recuerda que los orbitales d son 5.

[50Sn]  = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p1 5p1 5p0 

También podemos escribir:

[50Sn]  = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p1 5p1 

[80Hg]  = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10  

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Llamamos electrones de valencia a los electrones de la última capa electrónica. Estos electrones son muy importantes pues nos van a indicar el comportamiento químico de los átomos. Fíjate que los elementos que están en un mismo grupo de la Tabla Periódica tienen el mismo número de electrones de valencia, cuando Mendeleyev los colocó en grupos es porque tenían propiedades químicas similares, por tanto podemos pensar que es tener los mismos electrones de valencia lo que le confiere un comportamiento químico similar a los átomos de un mismo grupo.

¿Cómo se llaman los distintos grupos de la Tabla Periódica y cuántos electrones de valencia tienen?

Grupo 1: Metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs) 1 e de valencia.

Grupo 2: Metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba) 2 e de valencia.

Grupo 3 al 12: Metales de transición.

Grupo 13: Grupo del B (B, Al, Ga, In, Tl) 3 e de valencia.

Grupo 14: Grupo del C (C, Si, Ge, Sn, Pb) 4 e de valencia.

Grupo 15: Grupo del N (N, P, As, Sb, Bi) 5 e de valencia.

Grupo 16: Calcógenos o anfígenos (O, S, Se, Te) 6 e de valencia.

Grupo 17: Halógenos (F, Cl, Br, I) 7 e de valencia.

Grupo 18: Gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe) 8 e de valencia.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Arriba Enunciados