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Tipo: Apuntes
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Desempeño esperado : El estudiante describe los modelos atómicos, analiza las propiedades que se derivan de los mismos y encuentra la estructura electrónica de algunos elementos.
Toda la materia está formada por átomos. Los filósofos griegos, hace más de 2.500 años, ya se planteaban las preguntas de si la materia sería continua o si, por el contrario, llegaría un momento en que las partículas obtenidas como fruto de la división de la materia no podrían dividirse ya más. Nos proponemos en esta unidad, estudiar cómo se distribuyen los electrones en los átomos, y cuáles de éstos, contribuyen a las propiedades de los mismos. En grados anteriores, en su curso de Ciencias, se ha tenido alguna referencia con las partículas fundamentales del átomo, señalando la contribución más importante de los hombres de ciencia dedicados a estos menesteres. Se ha comentado que el átomo tiene partículas cargadas, que tiene un núcleo compuesto por protones y neutrones y que el núcleo está rodeado por los electrones. El átomo es increíblemente pequeño, y el núcleo es más pequeño todavía. Es conveniente recordar que todas las teorías (incluida la teoría atómica) han de ser reflexivamente analizadas y criticadas, y que los hechos en que se basan deben ser examinados y comprendidos. Nadie sabe cuál es el aspecto de la estructura interna de un átomo, porque no hay manera de verla. Para visualizar los procesos que se llevan a cabo en el reino subatómico construimos modelos. El modelo planetario del átomo es uno de los primeros modelos sobre la estructura del mismo, tenemos la tendencia a pensar en términos de esta sencilla imagen, como el verdadero modelo del átomo, no obstante que este modelo ha sido reemplazado por otro más complejo en el cual los electrones se representan como nubes que se entienden en el interior del átomo. Los modelos se evalúan no en términos de su Averdad@, sino en términos de su Autilidad@. Los modelos nos ayudan a entender procesos que resultan difíciles de visualizar. La siguiente lectura es un ejemplo intrascendente que nos muestra cómo tomamos decisiones en la vida diaria. Antonio tiene de vecino un nuevo inquilino de nombre Absalón. Antonio le dice a Absalón que el encargado de recoger las basuras viene todos los jueves, temprano, por la mañana. Más tarde, Marta, esposa de Absalón, preocupada por el problema de la basura, le plantea el problema a su esposo. Este le dice: AMe han dicho que hay un basurero que viene los jueves, por la mañana temprano. Veremos si es verdad@. Absalón, que es un científico, acepta la información de Antonio (quien ha tenido la oportunidad de hacer ya observaciones sobre la materia) pero la acepta provisionalmente hasta que él, por sí mismo, conozca los datos que le han llevado a esa conclusión. Al cabo de unas semanas, el nuevo inquilino ha reunido un buen número de observaciones que están de acuerdo con la existencia de un basurero que viene los jueves. Quizá la más importante sea que la basura desaparece los jueves por la mañana; en segundo lugar, recibe de EMSIRVA (la empresa recolectora de basuras) una factura mensual por este servicio municipal. Además ha hecho observaciones suplementarias que están acordes; frecuentemente le despierta, a las cuatro de la mañana de los jueves, un fuerte ruido y el trepidar de un camión. En ocasiones, el ruido viene acompañado por un alegre silbido y con ladridos de perro.
El inquilino tiene ahora muchas razones para creer en la existencia del basurero, a pesar de que no lo ha visto nunca. Pero es un hombre curioso, un científico, y un miércoles por la noche dispone de su despertador para que suene a las cuatro de la mañana. Al mirar por la ventana el jueves, de madrugada, su primera observación es que afuera está muy oscuro y que le va a ser difícil ver nada. A pesar de todo, consigue vislumbrar el paso de una sobra que tiene la forma de un hombre cargando un objeto grande. ( Ver es creer! Pero, en realidad, )cuál de estos hechos supone realmente Aver@ al basurero? )Cuál de estos hechos constituye una base para Acreer@ que existe un basurero? La respuesta es que todos los hechos, en conjunto, suponen Aver@. Y todos los hechos, en conjunto, forman la base para aceptar la Ateoría del basurero y la desaparición de la basura@. La visión directa de una sombra a las cuatro de la madrugada no supondría Aver@ a un basurero si al mismo tiempo no desapareciese la basura. (La sombra podría haber sido la del repartidor de los periódicos, o la del lechero). Tampoco la sola desaparición de la basura supondría Aver@ al basurero. (Quizá vienen los perros todos los jueves y se comen y dispersan la basura. Recordemos que se oye el ladrido de un perro.) No, el inquilino queda convencido de que existe un basurero, porque la hipótesis es concordante con muchas observaciones y no está en contraposición con ninguna. La teoría del basurero pasa por la prueba de una buena teoría, y resulta útil para explicar un gran número de observaciones experimentales, lo cual era ya cierto aun antes de que el inquilino viese la sombra, a las cuatro de la mañana. Actividad de Refuerzo 1.
Faraday en 1833 descubrió la correspondencia electricidad - materia. Al pasar una corriente eléctrica a través de una solución o un sólido fundido, ocurrieron cambios químicos en la superficie de los electrodos (las varillas metálicas conectadas al circuito externo). En el electrodo cargado positivamente, el cobre se oxida, es decir libera electrones, los cuales viajan por el circuito externo al electrodo de plata, que tiene carga negativa.
3.3. Los Protones o Rayos Canales. Eugen Goldstein en 1.886, realizó una serie de experimentos con tubos de descarga pero con cátodo perforado. El observó la presencia de una radiación que aparecía detrás del cátodo, es decir, que se alejaba del ánodo y que constaba de partículas con carga positiva, que correspondían a los llamados protones. La carga del protón es igual a la del electrón pero de signo positivo. La masa es 1836 veces mayor que la de aquél (1.67 x 10-^24 g.) 3.4. Los Neutrones. En 1.932 James C. Chadwick, publicó los resultados de sus experimentos sobre el bombardeo de átomos de berilio con partículas alfa, los cuales demostraron la presencia de una partícula no cargada y de masa semejante a la del protón, que fue llamada neutrón.
El descubrimiento de la radiactividad por el científico francés Henri Becquerel en 1896 suministró evidencias adicionales para entender la complejidad del átomo. La imaginación de Becquerel fue capturada con el descubrimiento de los rayos X, por W. C. Roentgen en Enero de 1896. Roentgen rápidamente encontró la importancia práctica de este descubrimiento y en un tiempo corto los rayos X se empezaron a utilizar en medicina. Los miembros de la comunidad científica internacional están de acuerdo con lo grandioso de este acontecimiento. Becquerel estaba enterado de que ciertas sustancias expuestas a la luz solar se volvían luminosas, a este fenómeno se le conoce con el nombre de fluorescencia. El investigó lo que sucedía con este tipo de sustancias cuando se ponían en contacto con los rayos X. En sus experimentos iniciales, Becquerel utilizó un mineral fluorescente de uranio. Colocó el mineral bajo la luz solar sobre una placa fotográfica que había sido envuelta de manera cuidadosa para protegerla de la radiación directa del sol. Cuando se desenvolvió la placa fotográfica, encontró en ella la imagen del mineral. A fines de febrero de 1896, Becquerel se equivocó al concluir que los penetrantes rayos, presumiblemente rayos X, podían ser inducidos por la luz solar y emitidos como parte de la fluorescencia. Sin embargo, hubo mal tiempo y Becquerel tuvo que posponer sus investigaciones. Mientras el sol estaba cubierto por las nubes, Becquerel guardó el mineral y la placa fotográfica envuelta en la gaveta de su escritorio. El 10 de marzo de 1896, decidió revelar la placa, esperando no hallar ninguna imagen. Se sorprendió cuando encontró siluetas muy intensas. Concluyó de manera correcta que el mineral producía radiación espontánea y este fenómeno lo llamó radiactividad. Por sugerencia de Becquerel, los esposos Marie Sklodowska Curie y Pierre Curie comienzan con su famoso experimento que consistía en aislar los componentes radiactivos del mineral llamado pechblenda. Estudios posteriores realizados por Ernest Rutherford permitieron demostrar que hay tres clases de radiactividad: Alfa ( α ) positiva, beta ( β ) negativa y gamma ( γ ) neutra.
5.1. Número Atómico (Z). El átomo tiene en el núcleo protones y neutrones ; los electrones se encuentran en la periferia. Siendo el átomo eléctricamente neutro debe tener tantos electrones como protones. El número atómico (Z), es igual al número de protones que tiene el átomo en su núcleo.
En un átomo eléctricamente neutro, el número de electrones debe ser igual al número atómico (Z). El número de protones varía según la clase de átomos, pero es igual para todos los átomos de un mismo elemento. Este número es la base para la ordenación de los átomos. Así: el átomo de hidrógeno tien número atómico 1 (Z=1), posee un protón en su núcleo y un electrón en su periferia. Todos los átomos de hidrógeno constituyen el elemento llamado hidrógeno y son ellos los únicos que poseen un protón. De la misma manera, el oxígeno (Z=8), posee 8 protones y 8 electrones. 5.2. NUMERO MÁSICO O INDICE DE MASA (A). La masa de los electrones es despreciable en comparación con la masa de los protones y los neutrones; en otras palabras la masa de un átomo se debe a lamasa de los protones y de los neutrones que posee. Se considera la masa de un protón igual a la masa de un neutrón y equivalente a 1,67x10-^24 g. El número de protones más neutrones es igual al número de masa (A). A = Z + N Donde : A = número (o índice) de masa Z = número atómico N = número de neutrones Así, el sodio (Na), número atómico 11, tiene 11 protones y 11 electrones. En la naturaleza se presentan átomos de un mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones. A estos grupos de elementos se les llama isótopos. El número de protones y neutrones se conoce como número o índice de masa, A. Los isótopos se representan por el símbolo siguiente: A = índice de masa (puede ir en la parte superior derecha o izquierda del símbolo) X = símbolo del elemento Z = número atómico 5.3. IÓN. Es una especie química que tiene carga positiva o negativa. En el caso de los elementos, estas especies se conocen como iones simples, y la carga de los mismos se debe a un intercambio de electrones entre átomos. Veamos: Caso 1. Na Na+ Na tiene: 11 protones 11 electrones Na+1^ tiene: 11 protones 10 electrones Es decir el átomo de sodio perdió 1 electrón. Se convierte en un ión positivo (o catión). Na - 1e-^ Na+ Caso 2. O O-^2 O tiene: 8 protones 8 electrones O-^2 tiene: 8 protones 10 electrones Es decir el átomo de oxígeno ganó 2 electrones. Se convierte en un ión negativo (o anión). O +2e-^2 O-^2
6.3. MODELO DE BHOR (Mecánica Cuántica) El acierto de Niels Bhor es descifrar cuantos electrones se presentan en cada órbita, ahora llamada nivel o capa. Sus experimentos estudiando los espectros de la luz lo llevaron a las siguientes conclusiones:
2
2
6
2
5 Ejemplo : Escribir la distribución electrónica de un átomo de hierro (número atómico 26).
El movimiento de rotación del electrón se señala por medio de flechas, cuando se distribuyen los electrones por orbitales. En un mismo orbital puede haber dos electrones que deben tener spin opuesto (principio de Pauli), por lo tanto dibujamos dos flechas opuestas. Los subniveles p , d y f constan de tres , cinco y siete orbitales respectivamente, de igual energía en el respectivo subnivel. Al colocar electrones en estos subniveles se deben colocar de uno en uno con spines paralelos, siguiendo el principio de Hund. En el siguiente diagrama se ilustra lo afirmado: 1 El exponente corresponde al número de electrones en el subnivel
Actividad de Refuerzo 3.
Las teorías y modelos estudiados en esta unidad contribuyeron enormemente a confirmar la organización de los elementos hecha por Mendelejeff en la Tabla Periódica. La distribución electrónica permite descifrar el grupo, período y región a que pertenece un elemento en esta tabla. Los conceptos claves de la estructura que se conectan con la tabla son: 7.1. Grupo. Identifique en la estructura electrónica, el número total de electrones en el último nivel. A este número se le conoce como los electrones de valencia. Utilice números romanos para esta magnitud. 7.2. Período. I dentifique en la estructura electrónica, el nivel máximo que tiene electrones. Es decir, el nivel en donde se encuentran los electrones de valencia. 7.3. Región. La tabla se encuentra dividida en cuatro regiones ( s, p, d, f ). Identifique el subnivel de mayor energía que contiene electrones. Este subnivel, identificado por las letras s, p, d o f corresponde a la región. Los grupos que pertenecen a las regiones s y p , conocidos como grupos largos , se identifican además del número romano con la letra A. En la región d , no es posible identificar el grupo aplicando el apartado 7.1. Los pormenores de esta discusión se dejan para el módulo sobre TABLA PERIÓDICA. Ejemplo : Estudiemos la estructura electrónica del cloro para aplicar lo comentado.
Grupo VII: el último nivel es el 3. Tiene 7 electrones (electrones de valencia).
Período 3: Los electrones de valencia se encuentran en el período 3. Región p: El subnivel de mayor energía es el p, ubicado en el nivel 3. Completamos el grupo diciendo que pertenece al grupo VIIA. Actividad de Refuerzo 5.
Protones 1 1 6 7 Electrones 0 1 1 4 Neutrones 1 0 2 6 8 5 Carga +4 +2 - 1 +2 - 3 Se recomienda al alumno completar la tabla, lo cual le permitirá responder más rápidamente las preguntas.
radiaciones nucleares que las células sanas que las rodean. Así, se consigue eliminar los tumores sin hacer daño a los tejidos circundantes. Los rayos X son un buen ejemplo para obtener imágenes de partes duras del cuerpo como los huesos. Pero si se quieren obtener imágenes de órganos más blandos, como el cerebro, hay que emplear técnicas como por ejemplo la Tomografía por emisión de positrones (PET). La radiografía industrial se basa en el gran poder de penetración de los rayos gamma. Con este tipo de radiación se pueden detectar desajustes en piezas soldadas, imperfecciones en huecos (caso de los pistones de un motor). 9.1. PROTECCIÓN CONTRA LAS RADIACIONES. Una exposición prolongada a emisiones radiactivas supone un peligro serio para la salud. Por ello deben extremarse las precauciones en los recintos en que se encuentran los aparatos relacionados con la medicina nuclear y también en sus inmediaciones. 9.2. REFLEXIÓN. La era nuclear plantea una paradoja. Aunque la energía nuclear se puede usar para destruir ciudades (caso de Hiroshima y Nagasaki en el Japón) y quizá hasta civilizaciones (se comenta que las bombas nucleares que almacenan algunos países alcanzan para destruir más de un planeta Tierra), la energía nuclear controlada se puede utilizar con fines pacíficos, como por ejemplo, producir la energía eléctrica en nuestras ciudades. Incluso aquí se presenta otra paradoja. El empleo controlado y pacífico de la energía nuclear no deja de presentar sus propios peligros potenciales (recordemos Chernóbil en Rusia y Fukushima en el Japón). No debemos confundir la química nuclear de la energía nuclear. En el primer caso nos referimos a las aplicaciones en medicina, la industria y la agricultura, como ya lo hemos comentado. La energía nuclear se refiere al aprovechamiento de la energía almacenada en los núcleos para liberarla con fines pacíficos (caso de la energía eléctrica) o bélicos (caso de la bomba atómica). 9.3. UN EJEMPLO DE REACCIÓN NUCLEAR. Ciertos núcleos emiten partículas alfa. Los átomos de radio con un índice de masa A de 226 se descomponen de manera espontánea, liberando 2 He^4 , un isótopo del átomo de helio, también llamado partícula alfa. Este proceso de desintegración se lama desintegración alfa (α). Este proceso se escribe así: 88 Ra 226 2 He 4
En la tabla periódica buscamos el elemento de número atómico 92. El elemento Y es Uranio. Actividad de Refuerzo 6. A. ¿Qué importancia tiene el uso de sustancias radiactivas como trazadores? ¿Qué ventajas presenta este procedimiento frente a otras técnicas de exploración y diagnóstico? B. Explica el fundamento del tratamiento para combatir tumores cancerosos con radiación gamma (gammagrafía). C. Explica qué es un alimento vegetal irradiado. Enumera las ventajas de esta técnica y razona acerca del por qué algunos sectores de la sociedad la rechazan. D. ¿Por qué se necesitan radiografías en la industria? E. Busca información sobre la científica Marie Curie y elabora un informe sobre ella. Incluye en él: F. La época de su vida y de sus descubrimientos científicos. G. Sus descubrimientos científicos más importantes. H. Las dificultades que encontró durante toda su vida para realizar el trabajo que realmente le gustaba. El documento no debe de tener más de una página.