FACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS, ELECTRÓNICA E INDUSTRIAL INGENIERÍA INDUSTRIAL EN PROCESOS DE AUTOMATIZACIÓN QUÍMICA Unidad temática 1: Estructura atómica 1.1Teoría atómica de Dalton, Modelo de Bohr, Teoría de Rutherford. 1.1 Estructura atómica ¿Como esta formada la materia? 1.1 Estructura atómica 1.1 Estructura atómica Demócrito, filósofo griego que vivió en el siglo IV a. C. propuso que, si se dividía la materia en trozos cada vez más pequeños, debería llegarse a una porción que ya no podría dividirse más. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. 1.1 Estructura atómica Para Aristóteles, la materia era de naturaleza continua y estaba formada por diferentes combinaciones de Tierra Agua Las ideas de Demócrito no fueron admitidas; la influencia de Aristóteles, otro gran pensador griego, hizo que se impusiese la teoría de los cuatro elementos. Aire Fuego 1.1 Estructura atómica Puede decirse que la química nace como ciencia a finales del siglo XVIII y principios del XIX, con la experimentación cuantitativa de numerosos procesos químicos por Lavoisier, Proust y Dalton, Tuvieron que pasar veinte siglos para que un químico inglés llamado John Dalton retomara las ideas de Demócrito y publicase, en 1808, su famosa teoría atómica. “La materia no es continua, sino que está formada por partículas indivisibles, llamadas átomos, entre las cuales no hay nada (está el vacío).” 1.1 Estructura atómica Teoría o Modelo Atómico de Dalton (1808) • John Dalton definió en unos de sus postulados que le han valido el titulo de "padre de la teoría atómica-molecular". • Dalton trató de buscar la explicación de las leyes ponderales que experimentalmente habían comprobado él y otros químicos europeos. 1.1 Estructura atómica Postulados de la Teoría Atómica de Dalton • Los elementos están formados por partículas muy pequeñas, llamadas átomos, que son indivisibles e indestructibles. • Todos los átomos de un elemento tienen la misma masa atómica. • Los átomos se combinan en relaciones sencillas para formar compuestos. • Los cuerpos compuestos están formados por átomos diferentes; las propiedades del compuesto dependen del número y de la clase de átomos que tenga. 1.1 Estructura atómica 1808 John Dalton La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar las leyes de la Química, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. 1.1 Estructura atómica Entonces… ¿cómo es el átomo según Dalton ? • Una esfera 1.1 Estructura atómica Aporte del Modelo Atómico de Dalton • Primer intento por comprender la constitución básica de la materia. • Confirma las leyes Teóricas planteadas previamente. • Nace la escala química de Masa Atómicas (ya que le asignó al átomo de hidrógeno un peso de uno; el peso atómico del oxígeno resultaría dieciséis. • Dalton permitió la creación de la química como ciencia exacta y matemática. • Supuso que la fórmula del agua era HO 1.1 Estructura atómica Limitaciones del Modelo de Dalton • La Ley de Lavoisier no es totalmente cierta, porque toda reacción química lleva consigo un intercambio de energía y la producción de energía supone pérdida de masa, según la ecuación de Einstein: E = m×c2 • La idea de Dalton de que los átomos de cada elemento son todos iguales es falsa, pues la mayor parte de los elementos están formados por isótopos, cosa que Dalton desconocía (pueden variar en su número másico). • No explica la naturaleza eléctrica de la Materia, el porqué los cuerpos se atraen o se repelen. 1.1 Estructura atómica Teoría Atómica de Joseph John Thomson 1.1 Estructura atómica • Las ideas de Dalton fueron perfeccionadas por otros científicos. • En 1897, el británico Joseph John Thomson descubrió unas partículas con propiedades sorprendentes: prácticamente no tenían masa y tenían carga eléctrica negativa. • Las llamó electrones. Joseph John Thomson (1856 – 1940) 1.1 Estructura atómica 1897 J.J. Thomson • Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones. De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones. 1.1 Estructura atómica Diseño Experimental de Joseph John Thomson (1856-1940) Utiliza Tubos de Rayos Catódicos, en los cuales estudia el comportamiento de los gases Descubrió que los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas negativamente (hoy en día llamadas electrones), de las que determinó la relación entre su carga y masa. En 1906 le fue concedido el premio Nobel por sus trabajos. Millikan calculó experimentalmente el valor de la carga eléctrica negativa de un electrón mediante su experimento con gotas de aceite entre placas de un condensador. Dió como valor de dicha carga e = 1,6×10-19 culombios. 1.1 Estructura atómica Tubo de Rayos Catódicos 1.1 Estructura atómica ¿Cómo es el átomo de Thompson? Thomson considera el átomo como una gran esfera con carga eléctrica positiva, en la cual se distribuyen los electrones como pequeños granitos. Al modelo se le da el nombre de “Budín de Pasas” 1.1 Estructura atómica Aporte del Modelo Atómico de Thomson • Descubre la primera partícula sub-atómica… el electrón. • Determina la relación carga masa del Electrón • Intuye la presencia de otra partícula subatómica…el protón 1.1 Estructura atómica Modelo atómico de Ernest Rutherford Ernest Rutherford, (1871-1937) Físico Inglés, nació en Nueva Zelanda, profesor en Manchester y director del laboratorio Cavendish de la universidad de Cambridge. Premio Nobel de Química en 1908. Sus brillantes investigaciones sobre la estructura atómica y sobre la radioactividad iniciaron el camino a los descubrimientos más notables del siglo. Estudió experimentalmente la naturaleza de las radiaciones emitidas por los elementos radiactivos. Tras las investigaciones de Geiger y Mardsen sobre la dispersión de partículas alfa al incidir sobre láminas metálicas, se hizo necesario la revisión del modelo atómico de Thomson, que realizo Rutherford entre 1909 - 1911. 1.1 Estructura atómica 1911 E. Rutherford • Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente. • Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo. 1.1 Estructura atómica Diseño Experimental de Rutherford •Bombardea una lámina de oro con partículas Alfa Radiactivas •Puesto que las partículas alfa y beta atraviesan el átomo, un estudio riguroso de la naturaleza de la desviación debe proporcionar cierta luz sobre la constitución de átomo, capaz de producir los efectos observados. •Las investigaciones se produjeron tras el descubrimiento de la radioactividad y la identificación de las partículas emitidas en un proceso radiactivo. El montaje experimental que utilizaron Geiger y Mardsen se puede observar en el dibujo. . 1.1 Estructura atómica El experimento de Rutherford La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. 1.1 Estructura atómica • Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de átomo macizo existente. Rutherford demostró que la dispersión era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío Observe que las partículas que chocan contra el núcleo del átomo son las que se desvían. 1.1 Estructura atómica Algunos hechos que el modelo de Rutherford no explicaba… • En el siglo XVII, Isaac Newton demostró que la luz blanca visible procedente del sol puede descomponerse en sus diferentes colores mediante un prisma. El espectro que se obtiene es continuo contiene todas las longitudes de onda desde el rojo al violeta. 1.1 Estructura atómica • En cambio la luz emitida por un gas incandescente no es blanca sino coloreada y el espectro que se obtiene al hacerla pasar a través de un prisma es bastante diferente. Es un espectro discontinuo que consta de líneas o rayas emitidas a longitudes de onda específicas. Cada elemento (es decir cada tipo de átomos) posee un espectro característico que puede utilizarse para identificarlo. Por ejemplo, en el del sodio, hay dos líneas intensas en la región amarilla a 589 nm y 589,6 nm. El modelo atómico de Rutherford no podía explicar estas emisiones discretas de radiación por los átomos. 1.1 Estructura atómica Resultados del Diseño Experimental de Rutherford La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina sin desviarse, porque igual que en caso de la reja, la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío. Algunos rayos se desviaban, porque pasan muy cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos alfa (CARGA POSITIVA). Muy pocos rebotan, porque chocan frontalmente contra esos centros de carga positiva. 1.1 Estructura atómica ¿A qué conclusión llega? • Que el átomo esta constituido por un núcleo central que posee las cargas positivas (Protones) • En el núcleo se concentra gran parte de la masa del átomo • Los Electrones giran en torno al núcleo del átomo. • Que existe un gran espacio vacío entre el núcleo y la corteza. El modelo se conoce como Modelo Planetario 1.1 Estructura atómica Aportes del Modelo de Rutherford Posteriormente investigaciones de Rutherford pusieron de manifiesto que la carga del núcleo era exactamente el número atómico multiplicado por la carga del electrón. Este núcleo recibió el nombre de protón y se pensó que era una partícula presente en los núcleos de todos los átomos. Confirma la existencia del electrón y determina su ubicación en el átomo Intuye la presencia del neutrón en el núcleo del átomo 1.1 Estructura atómica Deficiencias del Modelo de Ernest Rutherford • Según la ya probada teoría electromagnética de Maxwell, al ser el electrón una partícula cargada en movimiento debe emitir radiación constante y por tanto, perder energía. •Esto debe hacer que disminuya el radio de su órbita y el electrón terminaría por caer en el núcleo; el átomo sería inestable. Por lo tanto, no se puede simplificar el problema planteado, para un electrón, que la fuerza electrostática es igual a la centrífuga. 1.1 Estructura atómica Modelo Atómico de Niels Bohr Basándose en las teorías de Rutherford, publicó su modelo atómico en 1913, introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas, que en la teoría mecánica cuántica consiste en las características que, en torno al núcleo atómico, el número de electrones en cada órbita aumenta desde el interior hacia el exterior 1.1 Estructura atómica • 1913 Niels Bohr • Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos. • Explica los espectros discontinuos originados por la radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso. 1.1 Estructura atómica Modelo atómico de Bohr PROTONES NUCLEO NEUTRONES ELECTRONES 1.1 Estructura atómica • Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominados orbitales. • Los átomos de elementos más pesados albergan a varias capas de electrones. • El orbital más externo determina cuantos enlaces puede formar un átomo al unirse a otros átomos 1.1 Estructura atómica RESUMIENDO: PARTÍCULA LOCALIZACIÓN MASA CARGA Protón Núcleo 1 u.m.a. Positiva Neutrón Núcleo 1 u.m.a. No tiene Electrón Corteza 1/1840 u.m.a. Negativa u.m.a. = unidad de masa atómica (masa de un átomo de hidrógeno) 1.1 Estructura atómica Deficiencias del Modelo de Niels Bohr • El modelo se aplica sólo para el átomo de Hidrógeno. • No es posible explicar el comportamiento para átomos que posean más de un electrón. 1.1 Estructura atómica Aporte de Bohr • Se le considera como el Padre de la Mecánica Cuántica y precursor del modelo Mecano-Cuántico actual 1.1 Estructura atómica
