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Leucipo y Demócrito1, 2, 3
¿Se llegaba alguna vez hasta un punto en que
fuese imposible seguir dividiendo la materia?
Leucipo, maestro de Demócrito, había intuido que
esa escisión tenía un límite.
Leucipo y Demócrito
Demócrito hizo suya esta idea y anunció su
convicción de que cualquier sustancia podía
dividirse hasta allí y no más. El trozo más pequeño
o partícula de cualquier clase de sustancia era
indivisible, y a esa partícula mínima la llamó átomo,
que en griego quiere decir «indivisible»..
Según Demócrito, el universo estaba constituido
por esas partículas diminutas e indivisibles. En el
universo no había otra cosa que partículas y
espacio vacío entre ellas.
Leucipo y Demócrito
Según Demócrito, el universo estaba constituido por esas
partículas diminutas e indivisibles. En el universo no había
otra cosa que partículas y espacio vacío entre ellas. Este
modelo postula:
Los átomos son eternos,
incompresibles e invisibles.
indivisibles,
homogéneos,
Los átomos se diferencian solo en forma y tamaño, pero no
por cualidades internas.
Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento
de los átomos.
Dalton
1. Los elementos están formados por
extremadamente pequeñas llamadas átomos.
partículas
2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos,
tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los
átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos
los demás elementos.
Dalton
3. Los compuestos están formados
por átomos de más de un elemento.
En cualquier compuesto, la relación
del número de átomos entre dos de
los elementos presentes siempre es
un número entero o una fracción
sencilla.
4. Una reacción química implica
sólo la separación, combinación o
reordenamiento de los átomos;
nunca supone la creación o
destrucción de los mismos.
Dalton
La tercera hipótesis explica la ley de las
proporciones definidas de Proust, que establece
que muestras diferentes de un mismo compuesto
siempre contienen los mismos elementos y en la
misma proporción de masa.
También explica la ley de las proporciones
múltiples que dice que si dos elementos pueden
combinarse para formar más de un compuesto, la
masa de uno de los elementos que se combina
con una masa fija del otro mantiene una relación
de números enteros pequeños.
Por ejemplo, al formar agua, 8.0 g de oxígeno reacciona con 1.0 g de
hidrógeno. En el peróxido de hidrógeno, hay 16.0 g de oxígeno por cada
1.0 g de hidrógeno. La proporción de la masa de oxígeno por gramo de
hidrógeno en los dos compuestos es de 2:1. Usando la teoría atómica,
podemos llegar a la conclusión de que el peróxido de hidrógeno contiene
dos veces más átomos de oxígeno por átomo de hidrógeno que el agua.
Dalton
La cuarta hipótesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la
conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni
se destruye. Debido a que la materia está formada por átomos, que no
cambian en una reacción química, se concluye que la masa también se
debe conservar.
Dalton
Lista de elementos y algunos compuestos de Dalton
El electrón
A mediados del siglo XIX, los científicos comenzaron a
estudiar las descargas eléctricas a través de tubos
parcialmente evacuados. Cuando se aplica un alto
voltaje se produce radiación dentro del tubo. Esta
radiación recibió el nombre de rayos catódicos porque
se origina en el electrodo negativo, o cátodo. Aunque
los rayos en sí son invisibles, su movimiento puede
detectarse porque ocasionan que ciertos materiales,
incluido el vidrio, despidan rayos de luz fluorescente.
El electrón
Tubo de rayos catódicos
Campo
magnético
activo,
los
rayos
impactan en A
Campo
eléctrico
activo,
los
rayos
impactan en C
Campos magnético y
eléctrico inactivos, o
activos
y
balanceados, los rayos
impactan en B
El electrón
En 1897, el físico inglés J. J. Thomson utilizó un tubo de rayos catódicos y
la teoría electromagnética para determinar la relación entre la carga
eléctrica y la masa de un electrón. El valor más exacto de que se dispone
es:
e/m = 1,758820174(71) x 1011 C/kg
Más tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan llevó a cabo una serie de
experimentos para medir la carga del electrón con gran precisión. Su
trabajo demostró que la carga de cada electrón era exactamente la
misma. En su experimento, Millikan analizó el movimiento de minúsculas
gotas de aceite que adquirían carga estática a partir de los iones del aire.
El electrón
Suspendía en el aire las gotas cargadas mediante la aplicación de un
campo eléctrico y seguía su movimiento con un microscopio. Millikan
encontró que la carga de un electrón es e = 1,602176462(63) x 10-19 C.
Con este valor se obtiene una masa de:
m = 9,10938188(72) x 10-31 kg
Radiactividad
En 1895, el físico alemán Wilhelm Röntgen observó que cuando los rayos
catódicos incidían sobre el vidrio y los metales, hacían que éstos emitieran
unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energéticos eran capaces de
atravesar la materia, oscurecían las placas fotográficas, incluso cubiertas,
y producían fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos
rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no podían contener
partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre
de rayos X, por su naturaleza desconocida.
En 1896, Antoine Becquerel, profesor de física en París, empezó a
estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente
encontró que algunos compuestos de uranio oscurecían las placas
fotográficas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catódicos. Al igual
que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio
resultaban altamente energéticos y no los desviaba un imán, pero diferían
de los rayos X en que se emitían de manera espontánea. Marie Curie,
discípula de Becquerel, sugirió el nombre de radiactividad para describir
esta emisión espontánea de partículas o radiación, y se dice que un
elemento es radiactivo si emite radiación de manera espontánea.
Radiactividad
Estudios posteriores de la naturaleza de la radiactividad, efectuados
principalmente por el científico neozelandés Ernest Rutherford, revelaron
tres tipos de radiación: alfa (α), beta (β) y gamma (γ). La trayectoria de las
radiaciones α y β es desviada por un campo eléctrico en direcciones
opuestas, pero dicho campo no afecta a la radiación γ.
Los rayos α y los β consisten en partículas que se mueven a alta
velocidad, llamadas partículas α y β. Las partículas β son electrones de
alta velocidad y pueden considerarse como el equivalente radiactivo de los
rayos catódicos. Las partículas α tienen una masa mucho mayor que las
β. Son núcleos de helio cargados positivamente. La radiación γ es de alta
energía similar a los rayos X; no consta de partículas y no posee carga.
Thomson
Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los
átomos: que contienen electrones y que son eléctricamente neutros. Para
que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas
positivas y negativas. Thomson razonó que, como los electrones
constituyen una fracción muy pequeña de la masa de un átomo,
probablemente había una relación con el tamaño del átomo, y propuso que
el átomo consistía en una esfera uniforme de materia positiva dentro de la
cual se incrustaban los electrones como si fueran las pasas en un pastel.
Este modelo, llamado "modelo del pudín de pasas", se aceptó como una
teoría durante algunos años.
Rutherford
En
1910,
Ernest
Rutherford, físico neozelandés, utilizó partículas α
para demostrar la estructura de los átomos. Junto
con su colega Hans
Geiger y un estudiante de
licenciatura
llamado
Ernest Marsden, efectuó
una serie de experimentos utilizando láminas
muy delgadas de oro y de
otros
metales,
como
blanco de partículas α
provenientes
de
una
fuente radiactiva.
Rutherford
Observaron que la mayoría de las
partículas atravesaban la lámina sin
desviarse, o bien con una ligera
desviación. De cuando en cuando,
algunas partículas α eran dispersadas
(o desviadas) de su trayectoria con un
gran ángulo. En algunos casos, las
partículas α regresaban por la misma
trayectoria hacia la fuente radiactiva.
Éste fue el descubrimiento más
sorprendente, pues según el modelo de
Thomson, la carga positiva del átomo
era tan difusa que se esperaría que las
partículas α atravesaran las láminas sin
desviarse o con una desviación mínima.
Rutherford
La mayor parte de los átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por
qué la mayoría de las partículas α atravesaron la lámina de oro sufriendo
poca o ninguna desviación.
Las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso
conglomerado central dentro del átomo, que llamó núcleo.
Cuando una partícula α pasaba cerca del núcleo en el experimento,
actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una
gran desviación. Además, cuando una partícula α incidía directamente
sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande que su
trayectoria se invertía por completo.
El protón
Estudios experimentales subsecuentes condujeron al descubrimiento de
partículas tanto positivas (protones) como neutras (neutrones) en el
núcleo. Rutherford descubrió los protones en 1919. Los protones tienen
la misma cantidad de carga que los electrones y su masa es de
1.67262158(13) X 10-27 kg, aproximadamente 1840 veces la masa del
electrón con carga opuesta.
El neutrón
El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante
problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo,
contenía sólo un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones.
Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de
hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más
ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa
atómica.)
El neutrón
Sin embargo, en realidad la relación es 4:1. Rutherford y otros
investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula
subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick
probó en 1932. Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de
berilio con partículas α, el metal emitió una radiación de muy alta energía,
similar a los rayos γ. Experimentos posteriores demostraron que esos
rayos en realidad constan de un tercer tipo de partículas subatómicas,
que Chadwick llamó neutrones, debido a que se demostró que eran
partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que
la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora se
podía explicar. En el núcleo de helio existen dos protones y dos
neutrones, en tanto que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y
no hay neutrones; por lo tanto, la relación es 4: 1.
Modelo del átomo
En la figura se muestra la localización de las partículas elementales
(protones, neutrones y electrones) en un átomo.
Existen otras
partículas subatómicas, pero el electrón, el protón y el neutrón son los
tres componentes fundamentales del átomo que son de interés para la
química.
Propiedades de los átomos
Tamaño de los átomos
Usualmente las dimensiones de los átomos se miden en Angstrom (Å),
siendo 1 Å = 10-10 m, esto es, la diez mil millonésima parte de un
metro.
Propiedades de las partículas
subatómicas
Masa [kg]
Carga [C]
Electrón
9,10938188 (72) × 10-31
- 1,60217646 (63) × 10-19
Protón
1,67262158 (13) × 10-27
+ 1,60217646 (63) × 10-19
Neutrón
1,67492716 (13) × 10-27
0
http://www.educaplus.org/play-73-Configuraci%C3%B3n-electr%C3%B3nica.html
http://www.educaplus.org/play-234-Orbitales-atómicos.html
http://www.educaplus.org/play-75-Energía-de-los-orbitales.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Orbital_at%C3%B3mico
Propiedades de los átomos
Número atómico [Z]
Número de protones en el núcleo de un átomo. Determina la identidad
del átomo. También determina el número de electrones, ya que el
átomo en su estado natural es neutro. Por ejemplo, si Z = 7, se trata
del elemento Nitrógeno.
Número de masa [A]
Es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo de
un átomo de un elemento. Por ejemplo, un átomo de Flúor tiene en su
núcleo 9 protones (Z = 9) y 10 neutrones. Su número de masa es
entonces A = 9 p +10 n = 19.
Propiedades de los átomos
Isótopos
Son átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de
protones, pero difieren en el número de neutrones (tienen diferente
número de masa).
Por ejemplo, existen 2 isótopos del Uranio.
La propiedades Químicas de los isótopos de un elemento son
semejantes
Propiedades de los átomos
Masa atómica
La masa de un átomo es extremadamente pequeña, la del átomo más
pesado es del orden de 10-25 kg.
La unidad utilizada para medir la masa de un átomo es la uma (unidad
de masa atómica). Se define como la doceava parte de la masa de
un átomo de 12C, es decir al isótopo 12C se le asigna una masa
atómica de exactamente 12 uma.
1 uma = 1,66053886 × 10-27 kg
Por ejemplo, la masa de un átomo de 1H o es 1,0079 uma, la de uno
de 16O es 15,9949 uma.
Propiedades de los átomos
Masa atómica promedio
La mayoría de los elementos existen en la naturaleza como mezclas
de isótopos. La masa atómica promedio se determina a partir de las
masas de los diferentes isótopos y sus abundancias relativas,
calculando un promedio ponderado.
Por ejemplo, el carbono se compone de una mezcla de 98,93 % de
12C y 1,07 de 13C, de masas 12 uma y 13,00335 uma, respectivamente.
Su masa atómica promedio será:
98,93
100
1,07
12 uma +
100
13,00335 uma = 12,01 uma
La masa atómica promedio es la que aparece en la tabla periódica.
Propiedades de los átomos
Moléculas
Una molécula es un agregado de, por lo menos, dos átomos en una
colocación definida que se mantienen unidos a través de fuerzas
químicas (enlaces químicos). Puede contener átomos del mismo
elemento o átomos de dos o más elementos, siempre en una proporción
fija. Así, una molécula no siempre es un compuesto, el cual, por
definición, está formado por dos o más elementos. El hidrógeno gaseoso
(H2), por ejemplo, es un elemento puro, pero consta de moléculas
formadas por dos átomos (diatómicas) de H cada una. Por otra parte, el
agua (H2O) es un compuesto molecular que contiene hidrógeno y
oxígeno en una relación de dos átomos de H y un átomo de O. Las
moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas
poliatómicas (NH3, O3, CH3CH2OH). Al igual que los átomos, las
moléculas son eléctricamente neutras.
Propiedades de los átomos
Iones
El núcleo de un átomo no cambia en los procesos químicos ordinarios,
pero los átomos pueden adquirir o perder electrones fácilmente,
cargados negativamente. Si a un átomo neutro le quitamos o le
agregamos electrones, se forma una partícula cargada llamada ión. La
pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo neutro forma un
catión, un ión con carga neta positiva. Por ejemplo, el átomo de sodio,
que tiene 11 protones y 11 electrones, pierde con facilidad un electrón. El
catión resultante tiene 11 protones y 10 electrones, y por tanto tiene una
carga neta de 1+. La carga neta de un ión se representa con un
superíndice; +, 2+ y 3+ que indica una carga neta resultado de la pérdida
de uno, dos o tres electrones, respectivamente. Los superíndices -, 2- y
3- representan cargas netas que resultan de la ganancia de uno, dos o
tres electrones, respectivamente.
Propiedades de los átomos
En general, los átomos metálicos tienden
a perder electrones para formar cationes;
los átomos no metálicos tienden a ganar
electrones para formar aniones.
Existen también iones poliatómicos como
NO3- (ion nitrato) y SO42- (ion sulfato).
Estos iones consisten en átomos unidos
igual que en una molécula, pero tienen
una carga neta positiva o negativa.
Las propiedades químicas de los iones
son muy diferentes de las de los átomos
de los cuales se derivan.