C U R S O : QUÍMICA MENCIÓN MATERIAL QM N° 01 PARTÍCULAS SUBATÓMICAS LOS ELECTRONES El funcionamiento de una ampolleta es bastante simple, un haz de electrones (corriente eléctrica) atraviesa un delgado filamento de metal resistente (Wolframio / Tungsteno). Este filamento está dentro de una ampolla de vidrio a la cual se le ha extraído el aire en reemplazo de una atmósfera inerte de Argón. Cuando la electricidad fluye por el filamento éste se pone incandescente, pero no se quema pues no hay Oxígeno. El filamento por lo tanto, sólo emite luz. Lo anterior fue posible cuando las ideas atómicas de Dalton tomaron forma. En 1897 el físico inglés Joseph John Thomsom descubre el electrón y con ello cimenta las bases para comprender que la materia en su parte esencial es simplemente carga eléctrica. HISTORIA DE LA QUÍMICA LAS IDEAS ATÓMICAS El concepto atomista comienza con las ideas de Leucipo y Demócrito, según ellos: La materia no es infinitamente divisible. Los componentes estructurales últimos son partículas muy diminutas denominadas “átomos”. Las diferencias entre una sustancia y otra se justifican por la disposición, forma y tamaño de los átomos que las conforman. Los átomos están en constante movimiento. La colisión interatómica provoca la combinación para formar sustancias. Los átomos se movilizan en el vacío. Éste además provoca su separación. LA ALQUIMIA La Alquimia tuvo su origen en la China y entre sus propósitos estaban: La preparación de oro puro. Síntesis de oro, natural o artificial, en forma comestible. Preparación de otras medicinas para lograr la inmortalidad, aunque no tan eficaces como la anterior. A pesar de sus errores en el desarrollo de estas ideas se descubrieron muchos elementos químicos y hubo un notable avance en la creación de instrumental científico. LA TEORÍA DEL FLOGISTO En términos generales la teoría sostenía que la combustión era un fenómeno de descomposición y por tanto, siempre que una sustancia fuese combustionada ocurría el escape o pérdida de una sustancia fundamental, intrínseca al cuerpo (flogisto). El flogisto, se suponía presente tanto en los cuerpos inflamables como en los metales calcinables; no se encontraba bajo ninguno de los tres estados de la materia, ni podía existir aislado. La explicación exacta del fenómeno de la combustión la otorga Antoine Laurent Lavoisier. Según las conclusiones del químico francés el fenómeno de la combustión es un proceso oxidativo y no corresponde jamás a la pérdida de alguna sustancia. 2 EL MÉTODO CIENTÍFICO El método científico es un procedimiento destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones entre los hechos y enunciar leyes que expliquen correctamente fenómenos físicos. En junio de 1860 John Dewey, en concordancia con las ideas de Francis Bacon propone un método de trabajo basado en una secuencia lógica y científica para enfrentar un determinado fenómeno: 1. Definir con claridad el problema o fenómeno. A continuación la lógica ordena desarrollar experimentos, luego observar y anotar toda la información que sea relevante. 2. En un experimento los datos son valiosos, cualitativa y cuantitativamente. Haciendo mediciones y observando la tendencia de ellas es posible pasar a las interpretaciones. 3. La interpretación debe hacerse sólo cuando se completan los experimentos y los datos son suficientes. 4. Con fundamento en los datos obtenidos el científico puede formular una hipótesis, una explicación tentativa para las observaciones realizadas. 5. Si la hipótesis tiene cabida en la comunidad científica y experimentos posteriores que la pongan a prueba son satisfactorios, entonces podemos emitir una ley, entendiéndola “como un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que siempre se repite bajo las mismas condiciones”. 6. Si la hipótesis resiste muchas pruebas experimentales para verificar su validez, se convierte en teoría. Una teoría es un principio unificador que explica un grupo de hechos y las leyes que se basan en ellos LA TEORÍA DE DALTON Comenzaremos a revisar el desarrollo histórico de las teorías atómicas y sus consecuencias a partir de John Dalton quien en 1808, y basándose en las leyes de la combinación química, enuncia los siguientes postulados: La materia está compuesta de átomos, que son las partículas más pequeñas que pueden participar en los compuestos. Son indivisibles y no pueden ser creados ni destruidos. Los átomos de una misma sustancia son idénticos, con las mismas propiedades físicas y químicas, y los de sustancia diferente tienen propiedades distintas. Los átomos de los elementos distintos se combinan entre sí en relaciones enteras y sencillas para formar moléculas compuestas. Los átomos de los elementos pueden combinarse en más de una proporción entera y sencilla para formar más de un compuesto. La idea atómica del Dalton era mucho más precisa y clara que la de Demócrito. A pesar de ello Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos, es más, tampoco tenía idea cómo eran, sin embargo, pudo comprobar la diferencia entre las propiedades mostradas por los átomos de hidrógeno y oxígeno en la molécula de agua y la interpretó claramente como una diferencia atómica. Hasta entonces se había creído que los átomos eran partículas indivisibles, pero, en realidad, pronto surgieron muchas interrogantes que hicieron pensar que la estructura atómica no podía ser tan sencilla como suponía la teoría de Dalton. 3 DESCUBRIMIENTO DE LOS ELECTRONES En 1879 Williams Crookes observó que en los tubos en que se había generado vacío se generaban descargas eléctricas al aplicarse altos voltajes sobre discos metálicos (electrodos) a un gas en su interior. La intensidad de la luminosidad y su color dependían de la descarga eléctrica y la naturaleza del gas dentro del tubo. TUBO DE RAYOS CATÓDICOS CÁTODO - ÁNODO + PORTA OBJETOS A partir de sus experiencias Crookes determinó que: 1. Los rayos se propagaban en línea recta, ya que al colocar un objeto u obstáculo en su trayectoria, se produce sombra (comportamiento similar a la luz). 2. El sentido de su trayectoria es de negativo (cátodo) a positivo (ánodo), debido a esto se les denominó RAYOS CATÓDICOS. 3. Al chocar con un cuerpo, lo calienta y hace girar un molinete si es situado en su trayectoria, es decir, estos rayos poseen masa y por lo tanto energía cinética que pueden transmitir. 4. Las partículas que forman los rayos catódicos poseen carga eléctrica negativa, ya que se desvían al acercarle un imán, de igual forma a como se desviaría una carga eléctrica de signo negativo. Un poco más tarde, Joseph John Thomsom, científico inglés, estudió la naturaleza eléctrica de estos rayos, haciéndolos pasar a través de un campo eléctrico. Observó que el haz de rayos es atraído por la placa positiva. Para explicar este fenómeno dedujo que los rayos catódicos estaban formados por pequeñas partículas con carga eléctrica negativa: LOS ELECTRONES. 4 A Thomsom le fue imposible medir y calcular en forma exacta la masa y la carga del electrón. Sin embargo, fue capaz de establecer una relación entre ambas. Relación carga/masa del electrón e/m = - 1,76·108 C/g Entre 1908 y 1917 Robert Millikan realizó una serie de experimentos con el propósito de medir la carga unitaria del electrón. En su trabajo Millikan, analizó el movimiento de minúsculas gotas de aceite que cargadas eléctricamente con los iones del aire. Atomizador Placa positiva Gotas de aceite Microscopio Gota cargada Placa negativa Suspendía en el aire las gotas cargadas con ayuda de un campo eléctrico y sus movimientos fueron monitoreados con un microscopio. Con este procedimiento Millikan encontró que la carga de un electrón es de -1,6022·10-19 Coulomb. Con este dato pudo establecer su masa, de la siguiente forma: MASA = MASA = -1,6022·10-19 C = 9,10·10-28 gramos -1,76·108 C / g CARGA (Coulomb) ELECTRÓN CARGA CARGA/MASA -1,6022·10 MASA (u.m.a.) MASA (Kg) 1/1837 9,11·10-31 -19 5 DESCUBRIMIENTO DE LOS PROTONES En 1886 Eugen Goldstein, utilizando un cátodo perforado, descubre un haz visible que se desplazaba de polo positivo a negativo: LOS RAYOS CANALES. En sus experimentos con gases en tubos de descarga con cátodos perforados, Goldstein descubrió que además del haz de electrones, se producía una radiación de partículas positivas en dirección opuesta, que lograban atravesar el cátodo perforado. 1. 2. 3. 4. 5. ánodo rayos catódicos cátodo perforado rayos canales pantalla fluorescente Investigando la desviación de las partículas positivas con un campo magnético, encontró que la masa de ellas no era constante, vale decir, diferentes gases generaban partículas positivas de masa distinta (rayos canales). Así aquellas partículas más livianas de los rayos canales correspondían al elemento de masa menor, el hidrógeno. Otro dato muy importante es que la carga de los rayos canales era exactamente la misma, en valor absoluto, que la de los rayos catódicos, a pesar de la enorme diferencia de sus masas. En efecto la masa del protón es casi unas 1840 veces mayor que la del electrón. CARGA (Coulomb) PROTÓN +1,6022·10 MASA (u.m.a) MASA (Kg) 1 1,6725·10-27 -19 Considerando que: 1 u.m.a. = 1,67·10-24 g A mediados de 1920, un científico inglés llamado Ernest Rutherford observó que la suma de las masas de los electrones y protones en un átomo era bastante menor a su masa total, casi la mitad del valor observado. Intentando aclarar los resultados obtenidos postuló lo siguiente: Existe aparentemente una nueva partícula subatómica… el NEUTRÓN Esta partícula posee carga eléctrica cero (es neutra) puesto que no fue detectada en los experimentos con tubos de descarga. Posee una masa similar a la del protón y se encuentra situada en el núcleo del átomo. 6 Posteriormente en 1932 James Chadwick, notable físico inglés, detectó esta partícula subatómica en estudios de reacciones nucleares. Las características observadas coincidieron con las mencionadas por Rutherford, así que por tanto el nombre de neutrón se mantuvo. NEUTRÓN CARGA (Coulomb) MASA (u.m.a) MASA (Kg) 0 1 1,675·10-27 7 TEST EVALUACIÓN MÓDULO 01 1. Si un átomo neutro presenta 5 electrones, es correcto afirmar que tiene A) B) C) D) E) 5 neutrones. más de 5 protones. sólo 5 protones. sólo 10 neutrones. entre protones y neutrones 5 partículas. 2. A la luz de los experimentos realizados por Joseph Thomsom en los tubos de rayos catódicos, se infiere que éstos tienen I) II) III) A) B) C) D) E) energía cinética. carga eléctrica. naturaleza ondulatoria. Sólo III. Sólo I y II. Sólo I y III. Sólo II y III. I, II y III. 3. De las siguientes partículas y ondas, la única que aporta masa significativa al átomo es A) B) C) D) E) fotón. protón. rayo X. electrón. quarks. 4. Un elemento químico presenta igual cantidad de protones y neutrones y entre ambas partículas suman 16 unidades. Respecto de lo anterior, es correcto afirmar que I) II) III) A) B) C) D) E) el átomo contiene 8 electrones. cada átomo de la especie tiene Z igual a 16. la relación (protón / electrón) tiene valor 8. Sólo I. Sólo II. Sólo III. Sólo II y III. I, II y III. 5. Si un elemento X presenta 3 protones en su núcleo y otro elemento Y sólo 2 protones, entonces es correcto afirmar que A) B) C) D) E) X es un átomo más positivo que Y. Y tiene más electrones que X. Y tiene 3 neutrones y 3 electrones. X tiene más electrones que Y. X e Y tienen igual cantidad de neutrones. 8 6. ¿Qué similitud presenta(n) entre sí protones y electrones? I) II) III) A) B) C) D) E) intensidad de carga eléctrica. ubicación dentro del átomo. masa calculada. Sólo I. Sólo III. Sólo I y III. Sólo II y III. I, II y III. 7. El Neutrón… A) B) C) D) E) no presenta carga eléctrica ni masa. es una partícula subatómica. es una onda electromagnética. es un átomo sin electrones. se compone de 1 electrón y 1 fotón. 8. Si una partícula cargada eléctricamente migra hacia un metal que actúa de cátodo, sería posible inferir correctamente que la (el) I) II) III) A) B) C) D) E) partícula es un anión. cátodo está cargado negativamente. partícula y el electrodo presentan distinta carga eléctrica. Sólo I. Sólo I y II. Sólo I y III. Sólo II y III. I, II y III. 9. En las bombillas eléctricas (ampolletas) el filamento conductor es de A) B) C) D) E) Oro Plata Flúor Bronce Tungsteno 10. En un tubo de Crookes al electrodo positivo se le denomina A) B) C) D) E) ion. catión. anión. ánodo. cátodo. 9 11. Si el elemento Nitrógeno presenta 7 protones en su núcleo, entonces A) B) C) D) E) es un anión. debe tener 5 electrones orbitando. sólo puede tener 7 neutrones. presenta 14 partículas subatómicas. posee más electrones que 5B. 12. La electrolisis del agua genera como producto los gases que la componen, estos debieran ser A) B) C) D) E) O 3 y H+ H2 y HH2 y O2 H2O(v) y H2O(g) O2 - y H 2 + 13. La relación correcta entre carga, ion y electrodo al que migra el ion es A) B) C) D) E) Θ ⊕ ⊕ Θ Θ → → → → → ánodo catión catión catión anión → → → → → anión. ánodo. cátodo. ánodo. cátodo. 14. El siguiente modelo atómico para un elemento presenta I) II) III) A) B) C) D) E) Sólo Sólo Sólo Sólo Sólo 8 protones. 16 partículas subatómicas. carga eléctrica -8. I II. III. I y II. II y III. 10 15. Seleccione la única respuesta correcta A) B) C) D) E) los electrones no presentan masa. la corriente eléctrica es un flujo de neutrones. la masa de 1 protón y 1 electrón es la misma. todos los electrones presentan la misma órbita en torno al núcleo. la masa de un protón es similar a la de un neutrón. DMON-QM01 Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://www.pedrodevaldivia.cl/ 11