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Martn Luther King Profesora: Yanssuy Lages Pastn Adult School
Ciencias Naturales/ Qumica C.E.I.A La Serena
Mdulo I: Teora atmica de la materia
Introduccin
Este mdulo da inicio al segundo nivel del estudio de las
Ciencias Naturales. En primer lugar se aborda el
estudio de la estructura del tomo. Se trabajaran los modelos
atmicos de Rutherford y el modelo de Bohr,
los aportes de Louis de Broglie, en el sentido de que las ondas
pueden comportarse como partculas y stas
pueden exhibir propiedades ondulatorias (solucionando as la
naturaleza dual que se haba propuesto para el
electrn. De igual modo, al iniciar el estudio de los
radioistopos, se han considerado los aportes de
Becquerel y del matrimonio Curie.
En este mismo sentido, podra resultar interesante sealar que fue
Rutherford quien descubri las partculas
y emitidas por el uranio, Villard quien descubri la existencia
de los rayos , y finalmente Soddy quien
plante que un elemento qumico es una mezcla de tomos de iguales
propiedades qumicas, pero que
pueden diferir en su masa, denominndose istopos a los tomos de
un mismo elemento que tienen
diferentes masas.
Adems, en el presente mdulo se discutir acerca de los pro y los
contra en el uso de los istopos
radioactivos; que conozcan sus usos en medicina (por ejemplo, el
yodo radioactivo para localizar trastornos
de la glndula tiroides o tumores cerebrales), en agricultura
(esterilizacin de semillas, control de plagas,
almacenamiento de ciertos alimentos, etc.), en estudios
arqueolgicos, etc. Asimismo, es importante que
conozcan los riesgos en el uso de la radioactividad, como por
ejemplo, el cuidado que deben de tener las
mujeres embarazadas con las radiografas de rayos X o la excesiva
exposicin a estos mismos rayos cada vez
que nos tomamos una radiografa.
Finalmente, el mdulo aborda el tema de la formacin de molculas y
macromolculas como por ejemplo:
las protenas, la sal comn, el agua.
Unidades de aprendizaje:
Unidad 1: Estructura atmica.
Unidad 2: Enlace qumico.
Aprendizajes esperados:
Al desarrollar este mdulo se espera que los y las
estudiantes:
Comprendan el concepto de tomo como la unidad ms pequea de la
materia, que se encuentra
constituida por partculas subatmicas.
Reconozcan los constituyentes del ncleo y su relacin con los
fenmenos radioactivos.
Reconozcan los aportes de cientficos, hombres y mujeres, al
desarrollo de la investigacin en el
mbito de la radiactividad y su impacto en la sociedad.
Expliquen que la configuracin electrnica de un tomo informa cmo
estn distribuidos los
electrones entre los diversos orbitales atmicos.
Comprendan que los tomos se unen entre s mediante enlaces
qumicos para formar molculas.
Relacionen la unin intermolecular con la formacin de
macromolculas.
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Unidad 1: Estructura atmica
La historia del tomo una partcula pequea que se crea indivisible
y que
constituye todo lo que tiene masa y ocupa espacio (materia)
comienza
hace ms de 2.500 aos, en la poca de los griegos. Desde esos
tiempos han
existido diversas teoras, primero referidas a su existencia, y
posteriormente
a su estructura. Las teoras sobre el tomo tomaron fuerza
hace
aproximadamente 200 aos y desde ah han sido muchas las personas
que
con sus ideas y experimentos nos han ayudado a comprender a
esta
pequea partcula y con ello, a toda la materia.
Una de las primeras ideas sobre los tomos fue que estos eran
esferas
indivisibles, hasta que se descubri que en su interior existan
partculas de carga negativa que eran liberadas
bajo ciertas condiciones (electrones). Esta idea dio paso a un
modelo muy popular; el budn de pasas
planteado por Thomson, que luego sera desechado con el
descubrimiento del ncleo atmico, para dar paso
al modelo planetario planteado por Rutherford. Aunque muchas de
las teoras que han sido propuestas en
este tiempo no han sido correctas (o del todo correctas), se
transformaron en el punto de partida para la
idea moderna sobre el tomo. Esta idea se resume en el modelo
mecano-cuntico, cuyo desarrollo se lo
debemos a notables fsicos que supieron trabajar en conjunto y
utilizar los aciertos y, sobre todo, los errores
de otros.
Modelos atmicos de la materia
Teora atmica de Dalton: En 1808, John Dalton plante la primera
teora atmica. Los
principales postulados de su teora fueron: 1. Toda la materia
est formada por tomos.
2. Los tomos son partculas diminutas e indivisibles. 3. Los
tomos de un elemento son
idnticos y poseen igual masa. 4. Los tomos de diferentes
elementos se combinan de
acuerdo a nmeros enteros y sencillos, formando los compuestos.
5. En una reaccin
qumica se produce un reordenamiento de tomos. 6. En una reaccin
qumica los
tomos no se crean ni se destruyen.
Modelo atmico de Thomson: Joseph Thomson (1856-1940),
experimentando
en un tubo de descarga, observ que con el paso de corriente
elctrica se
producan unos rayos de luz dentro del tubo, a los cuales llam
rayos catdicos.
Con esta experiencia demostr que los rayos eran haces de
partculas con carga
negativa, a los que llam electrones (e): primeras partculas
subatmicas
confirmadas experimentalmente. De acuerdo a este descubrimiento,
y
considerando que la materia es neutra, Thomson propuso un modelo
de tomo,
el cual se representaba como una esfera compacta cargada
positivamente, en la
que se insertan los electrones cuya carga total es equivalente a
la carga de la esfera positiva, as el conjunto
resultara neutro. Este modelo es conocido con el nombre de budn
de pasas.
Modelo atmico de Rutherford: Ernest Rutherford (1871-1937) junto
a otros dos cientficos hicieron el
siguiente experimento: impactaron una lmina de oro con partculas
alfa emitidas por una sustancia
radiactiva. Los resultados fueron los siguientes: 1. La mayora
de las partculas alfa atravesaba la lmina. 2.
Una pequea parte atravesaba la lmina con una pequea desviacin.
3. Una mnima parte chocaba con la
lmina y se devolva hacia su origen.
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Rutherford estableci que el tomo estaba formado por una regin
central, muy pequea, llamada ncleo,
en la cual se concentran las cargas positivas y la mayor parte
de la masa de un tomo. El resto del tomo es
un espacio prcticamente vaco, esta zona ocupa la mayor parte del
volumen del tomo. El tomo es neutro,
porque tiene el mismo nmero de cargas positivas en el ncleo y de
cargas negativas girando alrededor de
l.
Descubrimiento del neutrn: las observaciones de Rutherford y
otras experiencias afirmaron la presencia de
cargas positivas en el ncleo, a las que llam protn (p+), sin
embargo, esta confirmacin no explicaba la
diferencia en las masas de algunos elementos, por lo que deba
existir otra partcula en el ncleo. En 1932,
James Chadwick (1891- 1972), al bombardear una lmina de berilio
con partculas , comprob la emisin de
partculas de muy alta energa y elctricamente neutras. A esta
partcula la llam neutrn (n).
Modelo atmico de Brh: Niels Bohr (1885-1962) plante un nuevo
modelo atmico, el cual indicaba lo siguiente: 1. Los electrones
giran
en rbitas fijas y definidas, llamadas niveles de energa. 2.
Los
electrones que se encuentran en niveles ms cercanos al ncleo
poseen menos energa de los que se encuentran lejos de l. 3.
Cuando el electrn se encuentra en una rbita determinada no
emite
ni absorbe energa. 4. Si el electrn absorbe energa de una
fuente
externa, puede saltar a un nivel de mayor energa. 5. Si el
electrn
regresa a un nivel menor, debe emitir energa en forma de luz
(fotn). Se conoce como estado fundamental o nivel basal, al
estado
en que el electrn se encuentra en la rbita que le corresponde. Y
se denomina estado excitado al estado
que alcanza el electrn de un tomo luego de ser energizado.
Los electrones en un tomo no estn distribuidos al azar alrededor
del ncleo. En 1913, Niels Bohr propuso
que los electrones se encuentran distribuidos en diferentes
niveles energticos.
Teora cuntica y efecto fotoelctrico: en 1900, Max Planck (1858-
1947) plante que los tomos y las
molculas emitan o absorban energa solo en cantidades discretas.
A esa mnima cantidad de energa
emitida o absorbida en forma de radiacin electromagntica, la
llamo cuanto. Cinco aos despus, Albert
Einstein (1879- 1955), tomando en cuenta lo propuesto por
Planck, explica el efecto fotoelctrico, propiedad
que presentan algunos metales de emitir electrones cuando
inciden sobre estos una luz de determinada
frecuencia.
Fotn
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Modelo atmico cuntico: Basado en el principio de dualidad
onda-corpsculo y en el principio de
incertidumbre de Heisenberg: 1924, Louis de Broglie (1892-
1977), concluy
que las ondas se comportan como partculas y que estas muestran
propiedades
ondulatorias. Toda partcula en movimiento lleva asociada una
onda. 1927,
considerando el carcter ondulatorio y corpuscular del electrn,
Werner
Heisenberg (1901- 1976) plante el principio de incertidumbre, el
cual indicaba
que era imposible conocer simultneamente la posicin y el
movimiento de un
electrn. Mientras ms exacta sea la determinacin de una de las
variables,
ms inexacta ser la otra.
Orbital atmico: en mecnica cuntica se define orbital como la
zona del espacio donde existe mayor
probabilidad de encontrar un electrn.
El modelo cuntico es el modelo atmico ms actualizado y el que se
considera ms exacto. Los
electrones no se mueven en rbitas como postulaba el modelo de
Bhr, sino que en niveles de energa, con
sus respectivas orbitas. En cada orbital van los electrones. Slo
puede haber un mximo de 2 electrones por
cada orbital.
Radiacin electromagntica
En 1873, James Maxwell propuso que la luz visible (la luz que
nosotros podemos ver) se compone de
ondas electromagnticas. Especficamente, Maxwell propuso un
modelo que describe con exactitud
cmo se puede propagar la energa en forma de radiacin a travs del
espacio como una vibracin de
campos elctricos y magnticos. A partir de este momento,
llamaremos radiacin electromagntica a la
emisin y transmisin de energa en forma de ondas
electromagnticas.
Las ondas electromagnticas son un tipo especial de onda, las
cuales tienen un componente de campo
elctrico y campo magntico. A pesar de lo lejana que puede sonar
esta definicin, todos nosotros
convivimos a diario con ellas, pues son de este tipo las ondas
de radio, los rayos X, las ondas de los
celulares y las de los hornos microondas, por mencionar
algunas.
Las ondas electromagnticas viajan a 3 x 108 m/s (trescientos
millones de metros por segundo), o sea a
1080 millones de kilmetros por hora (km/h). Ese valor
corresponde a la velocidad de la luz. Para que
tengas una idea de qu tan rpido viaja la luz, considera que es 9
millones de veces ms rpido que la
velocidad mxima permitida para un automvil en las carreteras de
nuestro pas (120 km/h).
Los fuegos artificiales: En muchas ciudades de nuestro pas y del
mundo se acostumbra a lanzar fuegos
artificiales para celebrar el Ao Nuevo u otras fiestas
importantes. Los colores que vemos en los
espectculos pirotcnicos se pueden explicar con modelo de Bohr.
En su interior, adems de explosivos,
los fuegos artifi ciales llevan compuestos que contienen ciertos
metales (potasio, sodio, estroncio, bario,
por ejemplo). Una vez que sucede la explosin, el calor que ella
libera provoca la excitacin de los
electrones del metal y con ello su ascenso a otro nivel
energtico. Pasados unos breves instantes, los
electrones que se encuentran en niveles superiores al que les
corresponde comienzan a retornar a su
estado basal (nivel original), para lo cual deben liberar el
exceso de energa en forma de luz (fotn). Esta
liberacin de energa es lo que nosotros vemos como colores. As,
la diferencia entre los colores de los
fuegos artificiales, se debe a la presencia de metales
diferentes en cada uno de ellos.
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La figura a continuacin muestra diversos tipos de radiacin
electromagntica con distinta longitud de
onda y frecuencia. Las ondas largas de radio se transmiten
mediante grandes antenas, como las usadas
en telecomunicaciones.
Las ondas de luz visible, ms cortas que las de radio, se deben
al movimiento de los electrones en los
tomos y molculas. Las ondas ms cortas, frecuencia ms alta, son
los rayos gamma (), que se forman
por los cambios dentro del ncleo del tomo.
A. Los rayos gamma tienen las frecuencias ms altas y las menores
longitudes de onda. Debido a que los
rayos gamma son los ms energticos del espectro electromagntico,
pueden atravesar la mayora de las
sustancias.
B. Los rayos X tienen menor frecuencia que los rayos gamma, pero
se consideran rayos con alta energa.
Estos rayos atraviesan los tejidos blandos del cuerpo, pero son
detenidos por tejidos ms duros, como los
huesos.
C. Las ondas ultravioleta son ligeramente ms energticas que las
ondas de luz visible. La radiacin
ultravioleta es la parte de la luz del Sol que provoca
quemaduras en los seres vivos. El ozono, ubicado en la
estratsfera, absorbe la mayora de la energa ultravioleta del
Sol.
D. Las ondas de luz visible son la parte de del espectro
electromagntico a la que son sensibles nuestros
ojos. Nuestros ojos y cerebro interpretan las diferentes
frecuencias como diferentes colores. La gama de
todos los colores que somos capaces de distinguir, se denomina
espectro visible.
E. Las ondas infrarrojas tienen menor energa que la luz visible.
Experimentamos los rayos infrarrojos como
el calor que irradian algunos objetos o cuerpos calientes. El
cuerpo humano, as como muchos otros objetos
calientes (calentadores, por ejemplo), emiten radiacin
infrarroja.
F. Las microondas son ondas de baja frecuencia y baja energa que
se usan para las comunicaciones y para
cocinar (horno microondas).
G. Las ondas de radio tienen las menores frecuencias del
espectro electromagntico. En la banda de radio
AM, el intervalo de las frecuencias va desde 550 kHz (kilohertz)
hasta 1700 kHz, mientras que las longitudes
de onda oscilan desde casi 200 m hasta 600 m, o sea, ms que una
cuadra promedio.
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Naturaleza dual del electrn: Una partcula y una onda al mismo
tiempo!
Los fsicos quedaron fascinados pero intrigados con la teora de
Bohr. Cuestionaban por qu las energas del
electrn del hidrgeno eran cuantizadas, es decir, por qu el
electrn en el tomo de Bohr est limitado a
girar alrededor del ncleo a una distancia fija (rbitas
circulares)? Durante una dcada, nadie tuvo una
explicacin lgica para esto, ni siquiera el mismo Bohr, hasta que
en 1924, el misterio fue resuelto por Louis
de Broglie, quien postul que los electrones se pueden comportar
dualmente, o sea, de dos formas a la vez:
como partcula (cuerpo con masa) y como onda.
Marie Curie (1867 1934): fue una fsica y qumica de origen polaco
y una de las cientficas ms
reconocidas de su poca. Adems, es sin lugar a dudas la mujer ms
destacada en toda la historia de la
ciencia. Mara Sklodowska (nombre de soltera) naci en Varsovia
(Polonia) en 1867. Hija de un profesor,
estudi en su pas natal hasta 1891, poca en la que se fue a Pars
a estudiar fsica y matemtica a la
Sorbonne (famosa universidad francesa), y donde cambi su nombre
a Marie. Dos aos ms tarde acab
sus estudios de fsica con el nmero uno de su promocin. En 1894
conoci a Pierre Curie. En ese
momento, los dos trabajaban en el campo del magnetismo.
Marie Curie estaba interesada en los recientes descubrimientos
de los nuevos tipos de radiacin. Wilhelm
Rntgen haba descubierto los rayos X en 1895, y en 1896 Antoine
Henri Becquerel descubri que el
uranio emita radiaciones invisibles similares. Por todo esto
comenz a estudiar las radiaciones del uranio
y, utilizando las tcnicas piezoelctricas inventadas por Pierre,
midi cuidadosamente las radiaciones en la
pechblenda, un mineral que contiene uranio. Cuando vio que las
radiaciones del mineral eran ms intensas
que las del propio uranio, se dio cuenta de que tena que haber
elementos desconocidos, incluso ms
radiactivos que el uranio.
Marie Curie fue la primera en utilizar el trmino radiactivo para
describir a los elementos que emiten
radiaciones cuando se descomponen sus ncleos. Mientras tanto,
Pierre acab su trabajo sobre el
magnetismo para unirse a la investigacin de su esposa, y en 1898
el matrimonio anunci el
descubrimiento de dos nuevos elementos: el polonio (Marie le dio
ese nombre en honor de su pas de
nacimiento) y el radio.
Los esposos Curie, junto a Becquerel, recibieron el Premio Nobel
de Fsica en 1903 en reconocimiento de
los extraordinarios servicios que han prestado con sus
investigaciones de la radioactividad, descubierta por
el profesor Henri Becquerel, convirtindose Marie en la primera
mujer en recibir este galardn. Sin
embargo, para los Curie, esta gloria fue un desastre; muy
reservados ambos y devorados por la misma
pasin por la investigacin, sufrieron al verse apartados de ella
y al ver su laboratorio invadido de gente
inoportuna, periodistas y fotgrafos.
Los descubrimientos no terminaron ah. Posteriormente Pierre
investig los efectos del radio sobre su piel
y not que produca una quemadura que evolucionaba rpidamente a
herida. Estas investigaciones
hicieron que se comenzara a usar el radio en el tratamiento de
tumores malignos, naciendo as la
Curieterapia, posteriormente llamada radioterapia.
Pero lleg el da en que los 35 aos de manipulacin del radio, las
mltiples radiaciones y cuatro aos
colaborando con equipos de rayos X en la primera guerra mundial,
le pasaron la cuenta. En mayo de 1934,
Marie cay en cama y no volvi a levantarse. Los mdicos le
diagnosticaron una leucemia con anemia
perniciosa severa. El 4 de julio de 1934, a los 66 aos de edad,
Marie dej de existir por culpa de su
preciado radio.
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De Broglie, tomando como base la explicacin del efecto
fotoelctrico propuesto por Einstein, en que las
ondas luminosas (luz) se comportaban tambin como partcula, pens
que quizs las partculas como los
electrones tambin pueden tener propiedades ondulatorias, o sea,
comportarse como ondas. De acuerdo
con de Broglie, un electrn se comporta como una onda
estacionaria, la cual debe tener una longitud de
onda tal, que la onda pueda cerrarse en una circunferencia,
generando las rbitas permitidas que
mencionaba Bohr. Adems, la teora propuesta por de Broglie
confirmaba la cuantizacin dentro del tomo
al proponer una relacin entre la energa del electrn (como onda)
con el tamao de la rbita: la rbita no
puede tener cualquier tamao, pues la onda (electrn) debe calzar
dentro de
ella. Luego, el electrn no puede tener cualquier energa.
Finalmente, Louis de Broglie lleg a la conclusin de que las
ondas se comportan
como partculas y las partculas presentan propiedades de onda, y
estableci una
ecuacin que relaciona las propiedades de una con las propiedades
de la otra,
vale decir, relacion las propiedades de una partcula con las
propiedades
ondulatorias. Aunque dicha ecuacin se aplica a distintos
sistemas, las
propiedades ondulatorias solo se observan en objetos
submicroscpicos. Poco
tiempo despus de que de Broglie formulara su ecuacin, Clinton
Davisson y
Lester Germer, en Estados Unidos y G.P. Thomson, en Inglaterra,
demostraron
que los electrones poseen propiedades ondulatorias. Al dirigir
un rayo de electrones sobre una delgada
lmina de oro, Thomson detect una serie de anillos concntricos en
una pantalla, similar a lo que se observa
cuando el experimento se realiza con rayos X (que son
ondas).
La tcnica empleada por estos cientficos para demostrar que los
electrones tienen comportamiento de onda
(ondulatorio), es la base del microscopio electrnico, cuya
evolucin ha permitido desarrollar microscopios
de alta tecnologa que hoy en da nos permiten, por ejemplo, ver
tomos.
Nmero atmico y Masa atmica
Nmero atmico (Z): es el nmero de protones que tiene un
tomo en su ncleo. Cuando los tomos son neutros, el nmero
de protones coincide con el nmero de electrones.
Nmero msico (A): es el nmero total de protones ms
neutrones que tiene un tomo en su ncleo.
De las ecuaciones anteriores se puede obtener el nmero de
neutrones.
Istopos
Los istopos son tomos que tienen el mismo nmero atmico pero
diferente nmero de masa, es decir, son
los mismos elementos pero con diferentes nmeros de neutrones en
su ncleo. Todos los istopos de un
elemento presentan las mismas propiedades qumicas, ya que estas
se relacionan con el nmero de
electrones. Sin embargo, presentan algunas diferencias en sus
propiedades fsicas, como la masa o la
capacidad de desintegrarse radioactivamente.
Un tomo no puede tener cualquier cantidad de neutrones. Hay
combinaciones "preferidas" de neutrones y
protones, en las cuales las fuerzas que mantienen la cohesin del
ncleo parecen balancearse mejor. Los
elementos ligeros tienden a tener tantos neutrones como
protones; los elementos pesados aparentemente
necesitan ms neutrones que protones para mantener la cohesin.
Los tomos con algunos neutrones en
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exceso o no los suficientes, pueden existir durante algn tiempo,
pero son inestables. Los tomos inestables
son radioactivos: sus ncleos cambian o se desintegran emitiendo
radiaciones.
Los istopos radiactivos son los ms frecuentes, existiendo ms de
1200, mientras que la cantidad existente
de istopos estables no supera los 300. Quizs el trmino
estabilidad, no sea el ms correcto, pues hay
muchos istopos que podramos clasificarlos como, casi estables,
pues aunque son radiactivos, posee una
vida bastante larga, en comparacin con la edad de nuestro
planeta.
Tambin debemos nombrar a los radioistopos, un tipo de istopos
radiactivos, caractersticos por su
inestable ncleo atmico, los cuales emiten una energa y unas
partculas al cambiar de forma, para
convertirse en una partcula ms estable. Cada uno de los
radioistopos posee un periodo de desintegracin
o vida caractersticas. Sus energas liberadas son principalmente
en forma de rayos alfa (tambin llamados
ncleos de helio), rayos beta (formados por electrones o tambin
positrones) y/o rayos gamma (es la
energa de tipo electromagntico).
Este tipo de radioistopos, radiactivos e inestables, tienen a
menudo utilidad mdica, cuando por ejemplo,
se usan para reconocer vasos sanguneos que se encuentran
bloqueados. Mientras que los istopos
naturales frecuentemente se usan para realizar dataciones
arqueolgicas.
Nmero cuntico
Nmero cuntico principal (n): Especifica el nivel
energtico del orbital, siendo el primer nivel el de
menor energa, y la probabilidad de encontrar
electrones es mayor (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).
Nmero cuntico secundario (l): describe la forma geomtrica del
orbital. Determina el subnivel de energa,
su valor se designa segn las letras s, p, d y f.
Nmero cuntico de espn (ms): da a conocer el sentido de rotacin
del electrn en torno a su eje cuando se
mueve dentro de su orbital.
Configuracin Electrnica
Es la forma en la cual se distribuyen los electrones en los
orbitales de un
tomo en su estado fundamental. Para distribuirlos correctamente
se deben
considerar los siguientes principios:
Principio de mnima energa: el estado fundamental, de mnima
energa, es
el ms estable. Los electrones deben ocupar los orbitales en
orden creciente
de energa, empezando por los ms cercanos al ncleo.
Principio de exclusin de Pauli: Cada orbital acepta como mximo
2
electrones, los que deben tener espines contrarios.
Regla de Hund: Los electrones van ocupando un subnivel, de forma
de que cada electrn adicional que entra
se ubique en orbitales diferentes con el mismo espn.
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Cmo escribir configuraciones electrnicas: para escribir
configuraciones se debe: 1. Buscar el nmero de
electrones que tiene el tomo, es decir, su Z. 2. Ubicar los
electrones en cada uno de los niveles de energa,
comenzando por el ms cercano al ncleo (n=1), segn la regla de
las diagonales (describe el orden de
llenado de los electrones, los que tienden siempre a ubicarse en
los orbitales de menor energa). 3. Respetar
la capacidad mxima de cada subnivel (subnivel S= 2 electrones;
subnivel P=6; subnivel D= 10; subnivel F=
14).
Configuracin electrnica abreviada: algunos elementos tienen la
cantidad de electrones precisa para no
dejar niveles de energa (n) incompletos. Los elementos que hacen
esto se denominan gases nobles y se
ubican en la ltima columna (ltimo grupo) de la tabla peridica de
los elementos.
Por su caracterstica de tener niveles de energa completos, los
gases nobles, utilizan para abreviar la
configuracin electrnica de todos los elementos, salvo el
hidrgeno (H). Para ello, se pone el smbolo de un
gas noble entre parntesis cuadrados en reemplazo de los
subniveles completos y luego se escriben solo las
subcapas faltantes. Los gases nobles son: helio (He) Z=2; nen
(Ne) Z=10; argn (Ar) Z= 18; kriptn (Kr) Z=
36; xenn (Xe) Z= 54; radn (Rn) Z = 86.
Tabla Peridica de los Elementos
Ms de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad
se
descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este perodo los
qumicos
observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas
en sus propiedades fsicas y en sus comportamientos qumicos.
El
reconocimiento de estas similitudes, as como la necesidad de
organizar la creciente informacin sobre los elementos, motiv a
los
qumicos a desarrollar la tabla peridica, una tabla en la que se
encuentran agrupados los elementos que
tienen propiedades fsicas y qumicas semejantes.
El orden de los elementos se hace desde menor a mayor nmero a
atmico (Z). Los elementos aparecen
agrupados en filas y columnas. Las filas o perodos se disponen
en lneas horizontales y las columnas o
grupos en lneas verticales. La ubicacin de los elementos en los
grupos se ha hecho de acuerdo a la
configuracin electrnica del nivel ms externo, sin embargo, el
trabajo de construir una tabla peridica
comenz mucho antes de que se conociera la existencia de protones
y electrones.
Desarrollo de la tabla peridica: En el siglo XIX, cuando los
qumicos solo tenan una vaga idea respecto de
los tomos y las molculas, se desarrollaron numerosos intentos
para organizar los elementos hasta ese
entonces conocidos.
Estos intentos son los antecesores de nuestra tabla peridica y
en general se desarrollaron, utilizando el
conocimiento que hasta ese entonces se tena sobre las masas
atmicas muchas de ellas ya determinadas
con exactitud en esa poca. As, dos de las propuestas ms
destacadas para ordenar los elementos pero no
las nicas antes del sistema que utilizamos en la actualidad
fueron dos:
1. La ley de las octavas de Newlands. En 1864, John Newlands1
observ que cuando los elementos se
ordenaban segn sus masas atmicas, algunas propiedades se repetan
cada ocho elementos igual que en las
octavas musicales, por lo que a la agrupacin de los elementos,
le llam Ley de las Octavas. Por ejemplo, el
Configuracin electronic lineal: 1s2- 2s2- 2p6 -3s2- 3p6- 4s2-
3d10- 4p6- 5s2- 4d10-5p6- 6s2- 4f14-
5d10- 6p6- 7s2- 5f14- 6d10- 7p6
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litio (Li) tena propiedades similares a las del sodio (Na), que
se encontraba a ocho espacios de distancia.
Esta ley de las octavas no funcionaba para elementos con masa
atmica superior a la del calcio (Ca), por lo
cual el trabajo de Newlands fue rechazado por la comunidad
cientfica.
2. La tabla peridica propuesta por Mendeleev y Meyer. En
1869, el qumico ruso Dmitri Mendeleev y el qumico
alemn Lothar Meyer, cada uno por su lado, propusieron
una nueva forma de ordenar los elementos que se basaba
en la repeticin peridica y regular de sus propiedades.
Aunque ambos qumicos partieron de una base similar, el
trabajo de Mendeleev super al de Meyer y con mayor
razn al de Newlands, al dejar espacios vacos dentro de su
tabla peridica los que deban ser ocupados por elementos
que en esa poca an no se haban descubierto, como por
ejemplo el Galio, a quien llam Ekaaluminio, queriendo decir que
ese elemento an desconocido era el
primero debajo del aluminio.
Basado en el estudio de las propiedades de los elementos que
estaban relacionados con el Ekaaluminio,
Mendeleev predijo datos como la masa atmica, punto de fusin y
densidad de esa especie. Cuando
finalmente se descubri el galio en 1875 y fue evidente la
impresionante precisin de las predicciones de
Mendeleev, su tabla peridica se volvi muy aceptada.
Originalmente, la tabla de Mendeleev incluy los 66 elementos
conocidos hasta la fecha, y ya para 1900 se
haban incorporado cerca de 30 elementos ms, ocupando algunos de
los espacios que se haban dejado
vacos. No obstante, a pesar del gran xito de la tabla de
Mendeleev, el hecho de que la masa atmica no
creciera siempre a lo largo del ordenamiento peridico indicaba
que la base de la periodicidad no estaba en
la masa atmica, sino en otra propiedad. Por ejemplo, el argn
(Ar) se encontraba antes del potasio (K) a
pesar que este ltimo tena una masa menor.
3. Tabla peridica moderna: En 1913, el joven fsico ingls Henry
Moseley4, descubri una forma de
determinar el nmero atmico de un elemento y con ello, pudo notar
que salvo algunas excepciones, el
nmero atmico suba en la misma cantidad que la masa atmica.
Dentro de estas excepciones estaban el
argn (Ar) y el potasio (K), descubrimiento que dio paso a un
ordenamiento peridico basado en el nmero
atmico y no ms en la masa atmica. Con esto, se explicaban y
corregan las irregularidades que existan
en el ordenamiento de Mendeleev, pues el problema que
significaba que el argn (Ar) estuviera ubicado
antes que el potasio (K) en la tabla peridica a pesar que la
masa de este ltimo era menor, se solucionaba al
saber que el argn tena un nmero atmico de 18 y el potasio de 19.
La tabla peridica que utilizamos en la
actualidad ordena los elementos por nmero atmico creciente.
La tabla peridica moderna, que ordena a los elementos qumicos
segn su nmero atmico (Z), esconde
tambin una estrecha relacin entre los elementos que pertenecen a
un mismo grupo. Cul ser? Observa
las siguientes configuraciones electrnicas abreviadas: Hidrgeno,
H (Z=1): 1s1; Litio, Li (Z=3): [He] 2s1; Sodio,
Na (Z=11): [Ne] 3s1, etc.
Si buscas en la tabla peridica en la pgina 240 los elementos
recin configurados, notars que todos ellos
pertenecen a un mismo grupo, el grupo IA (o 1A), pero que estn
en diferentes periodos. El hidrgeno (H)
est en el periodo 1, el litio (Li) en el 2, el sodio (Na) en el
3, el potasio (K) en el cuarto periodo y as
sucesivamente. Entonces, de qu parte de la configuracin
electrnica depender el grupo y el periodo en
que se ubica un elemento? Una vez que tenemos la configuracin
electrnica (completa o abreviada) de un
elemento qumico, podemos determinar su localizacin dentro de la
tabla peridica de forma muy sencilla: 1.
Para determinar el periodo del elemento, basta encontrar el
valor de n ms alto escrito a lo largo de la
configuracin. 2. Para determinar el nmero de grupo de un
elemento, en la numeracin antigua de los
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grupos (que tiene directa relacin con la configuracin
electrnica), debemos contar la cantidad de
electrones que existen en los niveles de energa incompletos,
vale decir, aquellos que se encuentran en las
capas que han quedado incompletas a lo largo de la configuracin
electrnica. Es importante notar que CASI
siempre, el nmero de electrones en niveles incompletos coincide
con los electrones que quedan fuera del
gas noble en la configuracin electrnica abreviada.
Ejemplo: La configuracin electrnica completa del circonio, Zr (Z
= 40) es 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
4p 6 5s 2 4d 2. De ah, podemos notar que el n ms grande escrito
a lo largo de toda la configuracin
electrnica fue 5, por tanto, el periodo del circonio ser 5.
Zr (Z = 40), de configuracin electrnica abreviada [Kr] 5s2 4d 2
, los electrones de niveles incompletos son
aquellos que quedaron fuera del gas noble, es decir cuatro
electrones, los dos electrones de la subcapa 5s y
los dos electrones de la subcapa 4d. Por tanto, el circonio
pertenece a un grupo IV (o 4).
Clasificacin de los elementos
Los elementos qumicos que se organizan en la tabla peridica se
pueden clasificar segn dos criterios:
Clasificacin segn estructura electrnica: Al analizar la
figura
podemos notar que dentro de la tabla peridica existen
bloques:
Elementos representativos: Son aquellos que pertenecen a los
bloques s y p, sin contar al grupo VIIIA (gases nobles). Como
las
configuraciones electrnicas de los elementos se encuentran
terminadas en s y en p, los elementos representativos son
aquellos que pertenecen a grupos A.
Gases nobles: Son aquellos que tienen todos sus niveles
electrnicos completos. Su configuracin electrnica termina
en ns2 np6 y conforman el grupo VIII A (8A), tambin llamado
grupo cero (0).
Elementos de transicin: Son aquellos que pertenecen al bloque d.
Como su configuracin electrnica
termina en orbitales d, los elementos de transicin son aquellos
que pertenecen a grupos B.
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Elementos de transicin interna: Son aquellos que pertenecen al
bloque f, vale decir, los elementos que
pertenecen a las series de lantnidos y actnidos. A la serie de
los lantnidos antiguamente se le llamaba
tierras raras.
Clasificacin segn propiedades estructurales y elctricas: las
propiedades estructurales y elctricas de los
elementos se derivan de su comportamiento frente a los
electrones. De esta forma, tenemos cuatro
clasificaciones posibles para los elementos:
Metales: Son elementos con tendencia a
ceder electrones. Dentro de sus propiedades
estn: ser buenos conductores del calor y la
electricidad, tener brillo, ser dctiles, ser
maleables y tener, en general, altos puntos
de fusin. Corresponde a la gran mayora de
los elementos conocidos.
En este punto es importante mencionar que
adems de todas aquellas sustancias que
nosotros vemos como slidos brillantes a las
que llamamos naturalmente metales (por
ejemplo: el cobre de los cables elctricos, el
aluminio de las latas de bebida, el hierro de
los clavos, etc.), se suman otras sustancias
que por ser muy reactivas casi no se encuentran aisladas y no se
pueden utilizar para hacer objetos de uso
cotidiano (por ejemplo, el sodio).
No metales: Son elementos con tendencia a ganar electrones.
Dentro de sus propiedades est: ser malos
conductores del calor y la electricidad (o sea, propiedades de
aislante), no tener brillo, y tener bajos puntos
de fusin y ebullicin.
Metaloides: Tambin llamados anfteros, son elementos que
presentan tendencias intermedias entre los
metales y los no metales.
Gases nobles: Son gases monoatmicos poco reactivos (helio, nen,
argn, kriptn, xenn y radn). Se les ha
denominado errneamente como gases raros o gases inertes. El
primer nombre (raros) no es apropiado
pues el argn (Ar) no es raro en la naturaleza, es el tercer gas
ms abundante de la atmsfera. La segunda
denominacin (inertes), tampoco es apropiada, ya que se han
descubierto compuestos de xenn (Xe). El
nombre actual (gases nobles) se acepta porque sugiere una
reactividad baja pero importante.
Propiedades Peridicas
Carga nuclear efectiva (Zef): es la carga neta que
afecta a un electrn. Los electrones ms cercanos al
ncleo poseen una mayor atraccin que aquellos
electrones ms externos.
Radio atmico (RA): es la distancia entre los ncleos
de tomos adyacentes de un mismo elemento.
Radio inico (RI): es el radio que tiene un tomo
cuando a perdido (catin) o ganado (anin)
electrones para formar un compuesto.
Energa de ionizacin (EI): es la energa mnima
necesaria para separar el electrn ms externo de
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un tomo en estado gaseoso, el cual se convierte en un catin.
Cuan mayor sea la energa de ionizacin ms
difcil ser extraer un electrn.
Afinidad electrnica (AE): es la energa que libera un tomo cuando
capta un electrn, el tomo se convierte
en un anin, cuanto mayor es la afinidad electrnica de un
elemento, mayor es la tendencia de formar
aniones.
Electronegatividad (EN): es la capacidad que tiene un tomo de
atraer hacia si los electrones de otro tomo
en un enlace qumico.
Actividades
1. Qu es la emisin electromagntica? Nombra dos ejemplos de la
vida cotidiana. Dibuja el diagrama de las
emisiones electromagnticas, sealando aquellas que atraviesan la
atmsfera.
2. Los electrones giran en cualquier parte dentro del tomo?
Expliquen su respuesta.
3. Qu significa que el electrn sea partcula y onda a la vez? y
qu implica?
4. En qu consiste el principio de incertidumbre? y, qu
implicancias tuvo para el desarrollo de la teora
atmica?
5. Resume brevemente los postulados del Bohr para el tomo y
seala cules de ellos an se consideran
verdaderos y cules han sido desechados. En este ltimo caso,
explica con detalle la razn por la que han
sido rechazados y cambiados.
6. Con respecto al modelo cuntico actual: has una lnea
cronografa de los hechos ms relevantes que se
obtuvieron para llegar a unificarlos en un solo modelo.
7. Qu es un istopo? Cul es su importancia en la actualidad?
Todos los elementos que presentan
istopos son estables? Fundamenta tu respuesta.
8. De los siguientes elementos, indiquen: a) la cantidad de
protones, neutrones y electrones; b) el smbolo
del elemento cuando corresponda y c) el nombre del elemento.
Elemento Smbolo Z A Protones Electrones Neutrones
Selenio Se 34 79 34 34 45
Ne 10 20
Carbono 6 12
O 8 16
N 7 14
Calcio 20 40
-
14
Galio 31 70
Flor 9 19
Fe 26 56
Cromo 24 52
I 53 127
Oro 79 197
Kriptn 36 84
Zn 30 65
Boro 5 11
Mg 12 24
Azufre 16 32
Co 27 59
Molibdeno 42 96
Zr 40 91
9. De los siguientes tomos, realicen la configuracin electrnica
de cada uno de ellos.
1s2- 2s2- 2p6 -3s2- 3p6- 4s2- 3d10- 4p6- 5s2- 4d10-5p6- 6s2-
4f14- 5d10- 6p6- 7s2- 5f14- 6d10- 7p6
Elemento Smbolo Z Configuracin electrnica
Boro B 5 1s2 2s2 2p1
Helio He 2
Magnesio Mg 12
Sodio Na 11
Calcio Ca 20
Rubidio Rb 37
-
15
Aluminio Al 13
Berilio Be 4
Bromo Br 35
Cobalto Co 27
Nquel Ni 28
Argn Ar 18
Hidrgeno H 1
Fsforo P 15
Azufre S 14
Litio Li 3
Carbono C 6
Flor F 9
Potasio K 19
Titanio Ti 22
Zinc Zn 30
Selenio Se 34
Yodo I 53
Kriptn Kr 36
Nen Ne 10
Xenn Xe 54
Radn Ra 86
Oxgeno O 8
Nitrgeno N 7
-
16
10. Indica en los siguientes elementos el nombre de los
elementos y su configuracin electrnica abreviada,
adems revelen a qu grupo y perodo pertenecen.
Smbolo Nombre Z Configuracin electrnica Grupo y periodo
B 5 He 2s2 2p1 3 y 2
He 2
Mg 12
Na 11
Ca 20
O 8
Al 13
Be 4
Br 35
S 16
H 1
P 15
Si 14
Li 3
C 6
F 9
K 19
-
17
Ti 22
Cl 17
N 7
Cu 29
Hg 80
Ra 88
Ne 10
11. Cuntos electrones puede haber en un orbital atmico?, por
qu?
12. En qu orden se llenan los orbitales atmicos?, de qu
depende?
13. Qu es la configuracin electrnica?, y para qu sirve?
14. En qu consiste el principio de mnima energa y cmo se aplica
al realizar la configuracin electrnica
para un tomo cualquiera?
15. En qu consiste el principio de exclusin de Pauli y cmo se
aplica al realizar la configuracin electrnica
para un tomo cualquiera?
16. En qu consiste el principio de mxima multiplicidad de Hund y
cmo se aplica al realizar la
configuracin electrnica para un tomo cualquiera?
17. Indica las caractersticas del modelo atmico postulado por
Thomson en 1903.
18. Cmo varan las propiedades de la tabla peridica en sus
grupos? Qu razones o motivos existen para
que en un grupo, a medida que aumenta el volumen atmico,
disminuya la electroafinidad?
19. Qu determino Rutherford con su experimento de la lmina de
oro?
20. Cules fueron los aportes del matrimonio Curie a la qumica
actual? Fundamenta tu respuesta.
21. Haz un cuadro comparativo de ambas clasificaciones de la
tabla peridica. Cul es la ms acertada?
Fundamenta.
22. En tu cuaderno dibuja una tabla peridica, sealando en ella
los grupos (g) del 1 al 18 y perodos (p) del 1
al 7. Una vez lista la tabla en ella seala la ubicacin de los
siguientes elementos: H (g1; p1), He (g18; p1), Ba
(g2; p6), Zn (g12; p4), F (g17; p2), As (g15; p4), Cl (g17; p3),
Fe (g8; p4), Hg (g12; p6), Mo (g6; p5), Ca (g2; p4),
Br (g17; p4), Ra (g2; p7), I (g17; p5), Be (g2; p2), C (g14;
p2), Ni (g10; p5), Na (g1; p3), O (g16; p2), Cu (g11; p4)
23. Nombra los elementos anteriormente mencionados