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COLEGIO ENRIQUE NOVELLA ALVARADO
ÁREA CIENTÍFICA, QUÍMICA
QUINTO BACHILLERATO
PEM Q/B CARLOS CORONADO
TEORÍA ATÓMICA
A. El Átomo
La civilización griega fue la que nos proporcionó el concepto filosófico de átomo. En
su evolución conceptual, la clave para el estudio de la naturaleza del átomo está en
su naturaleza eléctrica. Aunque actualmente se ha descubierto una gran cantidad
de partículas subatómicas, que se cuentan por cientos, es importante presentar los
aportes históricos que nos han brindado los investigadores hasta llegar a la teoría
de la mecánica cuántica, soporte actual de la estructura atómica.
Para describir la conformación del átomo mediante sus partículas fundamentales:
protón, neutrón y electrón se han expuestos varias teorías y/o modelos.
1. MODELO ATÓMICO DE DALTON
Con base en la teoría de Dalton un átomo se define como la unidad básica
de un elemento que puede entrar en combinación química. Dalton propuso
un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. El
átomo se caracterizaba por su masa. Dalton enunció que la materia está
formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos y que los átomos de
un mismo elemento son idénticos, con igual masa e iguales propiedades
químicas.
1
2. MODELO ATÓMICO DE THOMSON
A principios de 1,900 dos hechos relativos a los átomos habían quedado
claros: contienen electrones y son eléctricamente neutros. A principios del
siglo XX el modelo aceptado para los átomos fue el propuesto por J.J.
Thomson, según su planteamiento un átomo podía considerarse como una
esfera de materia positiva en la cual se encuentran incorporados los
electrones de carga negativa; la famosa interpretación de su modelo semeja
el “budín” de pasas.
3. MODELO ATÓMICO DE JEAN PERRIN
El físico francés Jean Perrin, Premio Nobel de 1,926, modificó el modelo de
Thomson sugiriendo que las cargas negativas son externas al budín positivo.
Por primera vez se sugiere que las cargas negativas son externas.
4. MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD
En 1,910, con base en su célebre experimento, realizado junto con su colega
Hans Geiger y el estudiante en ese entonces Ernest Mardsen, de la
dispersión de partículas alfa al chocar con láminas sumamente delgadas,
propuso un modelo del átomo en el cual el núcleo es el responsable de la
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masa del átomo y de la carga positiva que posee el conglomerado central al
que llamó núcleo, dicho núcleo es sumamente pequeño comparado con las
dimensiones del átomo. Propuso que los electrones se sitúan alrededor del
núcleo, fuera de él, a manera de satélites, describiendo distintas trayectorias
sin definir su forma de trayecto.
“Hacia 1,932 James Chadwick demostró la existencia de partículas
eléctricamente neutras con masa ligeramente superior a la del protón; les
llamó neutrones, su descubrimiento le significó el Premio Nobel de física en
1,935.”
5. MODELO ATÓMICO DE BOHR
Como consecuencia de los estudios de la radiación, que puede considerarse
como una corriente de partículas energéticas, fotones o cuantos de energía,
y aplicando las ideas de Max Planck en esta área, Niels Bohr sentó sus
experimentos basado en radiactividad y espectroscopia y aplicó al átomo de
hidrogeno su modelo de los niveles de energía.
El modelo de Bohr se fundamenta en cuatro postulados básicos:
I.
II.
III.
IV.
Los electrones en los átomos están localizados en órbitas circulares o
niveles de energía alrededor del núcleo.
Los electrones en las órbitas más cercanas al núcleo tienen menor
energía que aquellos en órbitas más alejadas del núcleo.
Cualquier electrón en un átomo puede tener sólo ciertos valores de
energía permitidos. Esta energía determina que órbita, nivel, ocupa el
electrón.
Los electrones puede moverse de una órbita a otra. Para esto un
electrón debe ganar o perder una cantidad exacta de energía, es decir,
un cuanto de energía.
3
La teoría de Bohr, aunque parcialmente válida, sirve de base para la
concepción actual de la estructura del átomo, desde el ángulo de la mecánica
cuántica.
B. RELACIONES DE MASA Y CARGA DE LAS PARTÍCULAS
SUBATÓMICAS
PARTÍCULA
PROTÓN
NEUTRÓN
ELECTRÓN
MASA (Kg)
1.67252*10 – 27
1.67495*10 – 27
9.1095*10 – 31
CARGA
COULUMBIOS
UNITARIA
1.6022*10 – 19
+1
0
0
–
19
1.6022*10
-1
NÚMERO ATÓMICO: Es el número de protones presentes en el átomo.
representa por Z.
NÚMERO DE MASA:
Se
Es la suma de protones y neutrones presentes en el núcleo
atómico. Se representa por A.
“LOS PROTONES Y NEUTRONES CONFORMAN EL LLAMADO NUCLEON EN
EL ÁTOMO”
El número de masa puede proponerse así:
𝐴 = 𝑍 + 𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠
4
Generalmente los átomos de un mismo elemento no tienen el mismo número de
masa porque en la mayoría de los casos átomos de un mismo elemento tienen
distinto número de neutrones en su núcleo, ello significa: los átomos tienen el
mismo número atómico pero tienen distinto número de neutrones, se llaman
ISÓTOPOS.
Es aceptable utilizar la siguiente presentación para indicar el Número Atómico (Z) y
el Número de Masa (A) de un elemento:
A manera de ejemplo:
El átomo de hidrógeno tiene tres tipos de isótopos:
a) El protio:
sin neutrón
b) El deuterio: con 1 neutrón
c) El tritio:
con 2 neutrones
SIMBOLICAMENTE SE ORESENTA ASÍ:
1
1𝐻
2
1𝐻
3
1𝐻
IONES Y ÁTOMOS ELÉCTRICAMENTE NEUTROS
Un elemento es eléctricamente neutro, esto significa que en su estructura tiene igual
cantidad de protones que de electrones, no obstante al variar el número de
electrones presentes en su estructura se convierte en un ion que:
a) Será denominado catión si su carga es positiva.
b) Será denominado anión si su carga es negativa.
Las presentaciones simbólicas para los iones también son posibles, las cargas
eléctricas se escriben en la posición indicada.
5
La carga tendrá signo según la diferencia de electrones con relación a los protones.
Un catión tiene menor cantidad de electrones que de protones.
Un anión tiene mayor cantidad de electrones que de protones.
Ejemplo:
Al ejemplo de la representación del hidrógeno de la página anterior podemos
propiciarle las siguientes variantes:
a) 11𝐻 −1
b) 21𝐻 0
c) 31𝐻 +1
¿Cuál es el número de partículas que está presente en cada especie de los incisos
a, b y c? y ¿Cuál es su número de masa?
RESPUESTA
a)
b)
c)
PROTONES
1
1
1
NEUTRONES ELECTRONES
0
2
1
1
2
0
No. MASA
1
2
3
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Ejercicios:
1. Complete la siguiente tabla que presenta isótopos de algunos elementos.
232
90𝑇ℎ
95
42𝑀𝑜
235
92𝑈
37 −1
17𝐶𝑙
24
+2
12𝑀𝑔
No. Protones
No. Neutrones
No. Electrones
No. Masa
2. Completar la siguiente tabla con los números y datos que hacen falta.
19
9𝐹
56
26𝐹𝑒
No. Protones
No. Neutrones
26
20
No. Electrones
No. Masa
40
99
31
153
23
25
96
54
57
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C. MASA ATÓMICA Y MASA ATÓMICA PROMEDIO
i.
MASA ATÓMICA
Se ha aceptado mediante acuerdo internacional que la masa atómica del isótopo de
carbono 12, que tiene 6 protones y 6 neutrones, presenta una masa exactamente
de 12 unidades de masa atómica (uma), - doce umas -. En tal sentido una uma
se define como la doceava parte de las masas del carbono 12.
ii.
MASA ATÓMICA PROMEDIO
La masa atómica promedio que se reporta en la tabla periódica es el resultado de
sumar el producto de las masas de los isótopos por su respectivo porcentaje de
abundancia natural. También puede decirse que es el promedio de las masas de
sus isótopos en la proporción en que estos se hallan en la naturaleza.
Matemáticamente se expresa:
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)
100
O lo que es igual a:
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
𝑀1(%1) 𝑀2(%2)
𝑀𝑛(%𝑛)
+
+⋯+
100
100
100
Donde:
M1:
%1:
M2:
%2:
Mn:
%n:
masa del primer isótopo
porcentaje de abundancia del primer isótopo
masa del segundo isótopo
porcentaje de abundancia del segundo isótopo
masa del isótopo n existente
porcentaje de abundancia del isótopo n existente
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Recientemente la tabla periódica nos reporta la masa atómica del carbono como
12.011 uma, esto nos informa de la masa atómica promedio de los isótopos del
carbono en función de su porcentaje de existencia.
Ejemplo 1:
Si deseamos reportar la masa atómica promedio del carbono a partir de los isótopos
12 y 13 cuyos porcentajes relativos de abundancia son 98.89 % y 1.11 %
respectivamente.
SOLUCIÓN
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)
100
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
12 𝑢𝑚𝑎 (998.89) + 13 𝑢𝑚𝑎 (1.11)
100
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
1186.68 𝑢𝑚𝑎 + 14.43 𝑢𝑚𝑎
100
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
1201.11 𝑢𝑚𝑎
100
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 12.0111 𝑢𝑚𝑎
RESPUESTA
“La masa atómica promedio del carbono, a partir de los isótopos 12 y 13, es de
12.011 uma.”
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Ejemplo 2:
“Cálculo del porcentaje de abundancia a partir de la información de masa atómica
promedio y de la masa de los isótopos existentes”.
Asumiremos que existen dos isótopos estructurales del carbono, el de masas 12.00
y el de masa 13.00, si la masa atómica promedio es de 12.0111 uma, calcule el
porcentaje de abundancia de cada isótopo.
SOLUCIÓN
% 𝑎𝑏𝑢𝑛𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 12 = 𝑥
% 𝑎𝑏𝑢𝑛𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 13 = 100 − 𝑥 (Porque solo dos se indican)
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
12.0111 𝑢𝑚𝑎 =
12.0111 𝑢𝑚𝑎 =
𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)
100
12.00 𝑢𝑚𝑎 (𝑥 ) + 13.00 𝑢𝑚𝑎 (100 − 𝑥)
100
12.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥 + 1300.00 𝑢𝑚𝑎 − 13.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥
100
1201.11 𝑢𝑚𝑎 − 1300.00 𝑢𝑚𝑎 = 12.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥 − 13.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥
−98.89 𝑢𝑚𝑎 = −1.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥
−98.89 𝑢𝑚𝑎
=𝑥
−1.00 𝑢𝑚𝑎
𝑥 = 98.89 %
Entonces:
𝑥 = 98.89 % (𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 12)
100 − 𝑥 = 1.11 % (𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 13)
RESPUESTA
El porcentaje de abundancia de cada isótopo del carbono, a partir de la masa
atómica promedio del carbono, es de 98.89 % para el isótopo 12 y 1.11% para el
isótopo 13.
IMPORTANTE: Las masas de los isótopos también pueden presentar decimales.
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EJERCICIOS:
A. Responda los siguientes planteamientos.
a. ¿Cómo se definen los siguientes términos?
i. Numero atómico
ii. Numero de masa
iii. Isótopos
iv. Unidad de masa atómica
v. Masa atómica promedio
b. ¿Cuáles son los postulados de la teoría de Niels Bohr?
c. Identifique la contribución a la ciencia que aportaron los siguientes
investigadores al conocimiento de la estructura del átomo (puede
investigar más ampliamente para mejor respuesta)
i. J.J. Thomson
ii. James Chadwick
iii. John Dalton
iv. Jean Perrin
v. Ernest Rutherford
d. ¿Por qué los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número
atómico, pero distinto número de masa?
e. ¿Cuál de los siguientes símbolos proporciona más información acerca
del mismo átomo? Explique.
i. 23𝑁𝑎
ii. 11𝑁𝑎
f. Las reacciones nucleares pueden permitir el cambio de un elemento
en otro. Cuando en una reacción cambia el número de protones en el
núcleo atómico se obtiene un átomo distinto: hay una transmutación.
El isótopo del Uranio 238 se desintegra emitiendo una partícula alfa
y transmutándose en otro elemento, en consecuencia el elemento
resultante tiene menos protones y neutrones que el uranio
desintegrado.
i. Investigue cual es la notación simbólica de la partícula alfa.
ii. Indique cual es el elemento resultante y escríbalo en forma
simbólica indicando el número de sus partículas subatómicas.
g. Investigue: ¿Qué es un isobaro?
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B. Resuelva los problemas planteados
1. Naturalmente existen dos isótopos de cloro, el de masa 36.9659 con un
porcentaje de abundancia de 24.47% y el de masa 34.9658 con un porcentaje
de abundancia de 75.53%, calcular la masa atómica promedio de dicho
elemento.
RESPUESTA: 35.46 uma
2. La plata natural existe en forma de dos isótopos estables: el de masa
106.9041 que existe en un 51.82% de abundancia y el 108.9047 con un
48.18% de abundancia. Calcule la masa atómica media de dicho elemento.
RESPUESTA: 107.90 uma
3. El magnesio en la naturaleza consta de tres isótopos: el primer isótopo tiene
masa 23.985 uma con un porcentaje de abundancia de 78.99, el segundo
isótopo tiene masa de 24.986 uma con un porcentaje de abundancia de 10.00
y el tercer isótopo tiene masa 25.983 uma con porcentaje de abundancia de
11.01. Calcule el valor de la masa atómica promedio del magnesio.
4. Un elemento X tiene dos isótopos, uno con porcentaje de abundancia de 60.4
con masa 68.9275 uma, la masa del otro isótopo es 70.9249 uma, calcule la
masa atómica promedio e identifique al elemento.
5. La masa atómica del cobre es de 63.55 uma. El primer isótopo tiene una
masa de 63.93 uma y el segundo 64.9278 uma. Calcule el porcentaje de
abundancia de cada isótopo.
FUENTE DEL MATERIAL:
Obtenido directamente del folleto del Departamento de Química, EFPEM –
USAC 2000
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Bohr también se dedicó al estudio del núcleo atómico y propuso un modelo del
núcleo en forma de gota de agua que demostró ser muy conveniente para la
interpretación del fenómeno de la fisión del Uranio, y abrió el camino hacia el
aprovechamiento de la energía nuclear. Experimentalmente, Bohr comprobó que al
fisionarse un átomo de Uranio se liberaba una enorme cantidad de energía,
comprendió entonces que se hallaba ante una nueva fuente energética de
incalculables posibilidades de aprovechamiento.
Profundizó la teoría de la fisión, demostrando el papel fundamental que en dicho
proceso desempeñaba el isótopo del Uranio 235. Estos trabajos le permitieron
también prever la existencia de un nuevo elemento, que fue descubierto poco
después: el Plutonio.
Bohr se trasladó a EE. UU. en donde ocupó el cargo de consultor de laboratorio de
energía atómica en Los Álamos, en el cual científicos de todo el mundo aunaban
esfuerzos para producir la bomba atómica. Comprendiendo la gravedad de la
situación y los peligros que este artefacto podía acarrear a la humanidad, Bohr hizo
un llamado a Churchill y a Roosevelt, apelando a su responsabilidad de jefes de
estado para que ellos impidieran su fabricación.
Sus esfuerzos fueron vanos. En julio de 1,945 se detonaba la primera bomba
experimental en Alamogordo. En agosto de ese mismo año la bomba de Hiroshima
mataba a 66,000 personas y lesionaba a 69,000. Tres días más tarde, una segunda
bomba destruía Nagasaki. Una vez finalizada la guerra Bohr fue nombrado
Presidente de la Academia de Ciencias de Dinamarca. Convencido de las ventajas
que ofrecía la política de colaboración científica entre las naciones, promovió una
serie de congresos científicos organizados periódicamente en Europa y EE. UU. En
1,950 dirigió a las Naciones Unidas una carta abierta en defensa de la preservación
de la paz, considerada por él como condición indispensable para la libertad de
pensamiento y de investigación.
En 1,957 Bohr recibió el premio Átomos para la Paz. Muere en 1,962 a los 77 años
de edad.
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