LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

TEMA 4

1. PRIMERAS IDEAS SOBRE LA MATERIA

La Química es la ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica

Los filósofos griegos consideraron dos posibilidades sobre como estaba constituida

la materia

Que la materia sea continua, es decir, infinitamente divisible.

Hipótesis defendida por EMPÉDOCLES y ARISTÓTELES.

Defendieron su teoría de los cuatro elementos.

Que la divisibilidad de la materia tenga un límite, es decir, que sea discontinua. Suponen la existencia

de pequeños corpúsculos de materia inalterables e indivisibles llamados átomos. Defendida por

LEUCIPO y DEMÓCRITO

En el año 1789, Lavoisier, estableció la LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA, ley empírica sobre las reacciones químicas que

estudiaremos más adelante

Para explicarlas Dalton, entre 1803 y 1808, expuso la primera teoría atómica moderna, basada en las

siguientes hipótesis

1. La materia está formada por pequeñas partículas inmutables denominadas átomos.

2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí en tamaño y masa, pero distintos a los de otro elemento diferente.

3. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de distintos elementos en una relación numérica sencilla.

4. En una reacción química, los átomos se reagrupan de forma distinta a como estaban inicialmente, pero ni se crean ni se destruyen

El átomo es la unidad básica de la materia que puede intervenir en una reacción química

2. LA NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

Tales de Mileto (640-546 a.C.) observó que un trozo de ámbar (elektron en griego), previamente frotado con una tela, atraía plumas pequeñas y

trocitos de paja.

William Gilbert, a finales del siglo XVI, clasificó los materiales en eléctricos y no eléctricos, comprendió la diferencia entre electricidad y

magnetismo y explicó el comportamiento de las brújulas.

Charles du Fay, en 1733, sugiere la existencia de dos tipos de electricidad a las que llama vítrea y resinosa.

BenjamÍn Franklin, siglo XVIII, sugirió un modelo basado en la existencia de un fluido eléctrico, para explicar lo que en la época se conocía de la electricidad: propuso que

todos los cuerpos tienen una cantidad “normal” de fluido eléctrico y que cuando se frotaban, parte de él pasaba de uno a otro.

Un cuerpo quedaba cargado con cierta electricidad positiva, y el otro con la

misma cantidad negativa. Decidió de forma arbitraria llamar positiva a la electricidad

vítrea de Du Fay y negativa a la resinosa.

A lo largo del siglo XIX los científicos profundizaron en el conocimiento sobre fenómenos eléctricos gracias a:

La pila eléctrica construida por Alessandro Volta en 1800. Con ella, Faraday, observó que al

pasar corriente eléctrica por ciertas disoluciones, se producía materia

cargada eléctricamente que se movía por la disolución (ion).

Los tubos de descarga, contienen gas a baja presión al

que se aplica un elevado voltaje. En esos momentos se observa la

aparición de unos rayos catódicos, ya que proceden del

cátodo (electrodo negativo)

Conclusión: la materia tiene naturaleza eléctrica, que solo se puede explicar asumiendo que el átomo tiene cargas eléctricas en su interior. Por tanto el átomo no es

indivisible

3. LA ESTRUCTURA INTERNA DE LOS ÁTOMOS

En el año 1897, el físico inglés Thomson descubrió el electrón al estudiar los rayos catódicos producidos en tubos de descarga con

distintos gases, observando:1. Su naturaleza es siempre la misma, independientemente del gas

utilizado.2. Están constituidos por partículas muy pequeñas de carga eléctrica

negativa

Estas partículas subatómicas son constituyentes del átomo y las denominó electrones.

Thomson midió la relación entre la carga del electrón e y su masa m:

kgCme /1076,1 11

Tubo de rayos catódicos de Thomson

En 1911, Millikan determinó la carga del electrón, e, encontrando que es la carga más pequeña posible.

Ce 1910602,11

En 1895, Röentgen, trabajando con los tubos de descarga, descubrió unos rayos caracterizados por:

1. No se desvían ante una placa cargada eléctricamente por lo que no tienen carga.

2. Son capaces de atravesar materiales de gran espesor.Al ser de naturaleza desconocida los denominó RAYOS X. Hoy día sabemos

que es un tipo de radiación electromagnética, similar a la luz, pero no visible y de muy alta energía

Un año más tarde, Becquerel, observó un nuevo tipo de radiación a la que una discípula suya, Marie Curie

dio el nombre de radiactividad: emisión

espontánea de radiación por parte de algunas sustancias, que se

denominan radiactivas

Existen tres tipos de emisiones radiactivas

Emisión alfa, α, partículas pesadas cargadas positivamente. Basta una lámina de papel para detenerlas

Emisión beta, β, formada por electrones muy veloces. Son más penetrantes que la emisión α.

Emisión gamma, γ, no son partículas materiales, son radiaciones electro magnéticas de mucha energía. Para detenerla se necesita una capa de plomo o un muro de

hormigón

Como estas radiaciones proceden del interior del átomo, los científicos concluyeron que el átomo debía ser más

complejo de lo que pensaba Dalton

4. LOS PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS

El modelo atómico de Thomson surge en 1904 a raíz del

descubrimiento del electrón. Es el primer modelo de átomo divisible.

Imaginó el átomo como una esfera positiva uniforme en la que se encontrarían incrustados los

electrones en cantidad suficiente para que conjunto sea neutro. Este

modelo podía justificar la existencia de iones

En 1911, Rutherford ideó un experimento con el objetivo de comprobar la validez del modelo de Thomson, en el que bombardeó una lámina de oro muy fina con partículas , con una masa cuatro veces mayor que la de un átomo de

hidrógeno y una carga doble que la del electrón, pero positiva.

Resultados de la experiencia

1. La mayor parte de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse.

2. Algunas partículas sufrían desviaciones.

3. Raras veces, alguna partícula rebotaba y volvía hacia atrás.

Para explicar este hecho, Rutherford supuso que, en su camino, las partículas habían encontrado una zona pesada y cargada positivamente.

Propuso su modelo nuclear del átomo: 1. El átomo consta de un núcleo central, muy pequeño, que

tiene casi la totalidad de la masa del átomo y está cargado positivamente.

2. El átomo es prácticamente vacío.3. Alrededor del núcleo y a gran distancia del mismo se mueven

los electrones en la zona llamada corteza.4. El átomo es eléctricamente neutro, ya que la carga positiva

y la negativa se compensan.

5. CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁTOMOS

• Rutherford postuló, en 1919, que el núcleo debía estar formado por unas partículas de masa igual a las del átomo de hidrógeno y carga igual a la del electrón, pero positiva. Les llamó protones y él mismo demostró, experimentalmente, su existencia.• Cómo la masa de los átomos suele ser mayor que la que corresponde al número de protones que hay en su núcleo, Rutherford supuso que debía existir otra partícula en el núcleo de la misma masa del protón pero sin carga eléctrica, a la que llamó neutrón. Veinte años después, Chadwick, lo confirmó experimentalmente. • Así el átomo está formado por tres partículas subatómicas: protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la corteza. . El electrón es una partícula elemental, pero no lo son el protón y el neutrón. Una partícula es elemental si no está constituida por otras mas sencillas

Características de las partículas subatómicas, tomando la carga del electrón como unidad de carga y la masa del átomo de hidrógeno como unidad de masa atómica (u)

Partículas subatómicas

Nombre Símbolo Carga Masa(u)

Electrón e -1 1/1850

Protón p +1 1

Neutrón n 0 1

Para designar el número de partículas que

constituyen un átomo y con ello su estructura, se definieron los siguientes

números:

• Número atómico (Z): es el número de protones que contiene un átomo. El hecho de que un átomo corresponda a un elemento químico u otro depende el número de protones, es decir, del número atómico.• Número másico (A): es la suma de protones y neutrones del núcleo.• El número de neutrones (N) que puede haber en el núcleo es variable, pero esto no cambia las propiedades químicas del átomo.• Como los átomos son eléctricamente neutros el número de electrones es el mismo que de protones.

A=Z+N• El número másico coincide, prácticamente, con la masa del átomo expresada en unidades de masa atómica (u)• Se llaman isótopos a los átomos de un mismo elemento químico (igual Z) con diferente número de neutrones (distinto valor de A)

XAZ

6. LA CORTEZA ELECTRÓNICA

La disposición de los electrones en la corteza se denomina configuración electrónica. De forma aproximada se puede obtener con

estas reglas:1. Los electrones se agrupan en capas concéntricas o niveles, que se

denominan K, L, M, N, O, P y Q, siendo la capa K la más cercana al núcleo.

2. El número máximo de electrones que puede haber en cada capa no es cualquiera, sino 2n2 , siendo n el nivel que ocupa (1, 2, 3, 4, 5, 6 o 7)

3. Los electrones van ocupando las capas más próximas al núcleo que son más estables (menor energía) pero siempre de modo que en la última capa ocupada no haya más de ocho electrones.

4. Los electrones más externos son los electrones de valencia, y se alojan en la última capa, llamada capa de valencia y son los responsables de las propiedades químicas de los elementos químicos

A los átomos que tienen electrones en exceso o en defecto les llamamos iones.

Cuando un átomo pierde electrones, se ionizará, convirtiéndose en un ion positivo, o catión

Si un átomo captura electrones, se convertirá en un ion negativo o anión

Los electrones se pierden del nivel más externo y los que se ganan se colocan en la capa más cercana al núcleo donde haya sitio