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El descubrimiento de la estructura atómica

*      En 1803 Dalton propone que el átomo es una pelotita pequeñísima indivisible e indestructible

*      En 1850 Se ha acumulado suficiente evidencia de que el átomo mismo está compuesto de partículas menores

*      ¿Como es el modelo actual...?

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Comportamiento de las partículas cargadas:

*         Cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen

Comportamiento de una carga en movimiento en un campo magnético

*      Una partícula cargada al moverse a través de un campo magnético sentirá una fuerza perpendicular al plano descrito por el vector de su velocidad y el vector del campo magnético.

*      Esto hace que la partícula cargada en movimiento se desvíe de acuerdo a la regla de la mano derecha, en el caso de una carga positiva

*      Una carga negativa se desviará en la dirección opuesta

Figura 1: Comportamiento de una carga positiva en un campo magnético

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Rayos catódicos y electrones

*      Una descarga eléctrica a través de un tubo evacuado produce radiación

*      Esta radiación se origina en el electrodo negativo, el cual se conoce como cátodo, de manera que a esta radiación se le llama rayos catódicos.

*      Los rayos viajan hacia o son atraídos por el electrodo positivo (ánodo)

*      Esta radiación no es visible directamente, pero se detecta gracias a la capacidad de hacer que otros materiales brillar o fluorescer

*      Además viaja en línea recta

*      Pero su curso se tuerce por la influencia de los campos magnético o eléctrico

*      Una placa de metal en el trayecto de los rayos catódicos adquiere carga negativa

*      Los rayos catódicos  producidos por cátodos de diferentes materiales tienen las mismas propiedades

Todas estas observaciones indicaban que la radiación de los rayos catódicos  estaba compuesta de partículas cargadas negativamente, a las cuales le pusieron el nombre de electrones.

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El experimento de Thompson

J.J. Thompson (en 1897) por medio de un experimento midió la proporción que existe  entre la carga y la masa de una corriente de electrones, usando un tubo de rayos catódicos  obteniendo un valor de 1.76 x 108 coulombs / g.

*      La corriente de partículas cargadas pueden desviarse por medio de una carga eléctrica o un campo magnético

*      Se puede emplear un campo eléctrico para compensar por la desviación producida por el campo magnético, dando como resultado que el haz de electrones se comporte como si no tuviera carga.

*      La corriente requerida para neutralizar al campo magnético aplicado indica la carga del haz

*      La pérdida de masa del cátodo indica la masa de la corriente de los electrones

 

Figura 2: Diagrama del experimento de Thompson

 

Figura 3: Tubo de rayos catódicos y el arreglo usado en el experimento de Thompson

Thompson determinó el cociente entre la carga y la masa para el electrón, pero no pudo determinar la masa del electrón.

Sin embargo, de sus datos se puede obtener la carga de un electrón, siempre y cuando se conozca la masa de un solo electrón.

Robert Millikan (en 1909) pudo medir la carga de un electrón en el experimento de la gota de aceite, obteniendo un valor de  1.60 x 10-19 coulombs.

Así, la masa de un electrón puede calcularse:

(1 g / 1.76 x 108 coulombs)*(1.60 x 10-19 coulombs) = 9.10 x 10-28 g.

Nótese que el valor aceptado actualmente de la masa del electrón es de 9.10939 x 10-28 g.

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Radioactividad

Wilhelm Roentgen (en 1895) descubrió que cuando los rayos catódicos  chocan contra ciertos materiales (Cu o Mo por ejemplo) se emite una radiación diferente a los rayos catódicos. A este nuevo tipo de radiación le llamó rayos X  y  encontró que tienen las siguientes propiedades:

 

*      pueden pasar a través de muchos materiales

*      no se ven afectados por campos eléctricos o magnéticos

*      pueden producir una imagen en placas fotográficas igual que la luz visible

Henri Becquerel (en 1896) descubre que algunos materiales fosforescentes de uranio emiten radiación parecida a los rayos X

Marie y Pierre Curie aíslan los componentes radiactivos de este material de uranio.

Ernest Rutherford estudia la radiación emitida por ciertas sustancias radioactivas y nota que dependiendo de la sustancia examinada existen tres clases de radiación y cada una se comporta de manera diferente al aplicarles un campo eléctrico:        

Figura 4: Comportamiento de  los componentes de la radiación emitida por las sustancias radiactivas

*      Los rayos b son atraídos por el ánodo

*      Los rayos a son atraídos por el cátodo

*      Los rayos g no se ven afectados por el campo eléctrico

De esta manera propone que los rayos a y los rayos b están compuestos por partículas cargadas en tanto que los rayos g son radiación de alta energía similar a los rayos X

*      las partículas b son electrones a gran velocidad (carga = -1)

*      a las partículas son núcleos de helio (carga = +2)

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El átomo nuclear

Modelo del átomo de J.J. Thompson (antes de 1900)

*      El átomo consiste de una esfera de carga positiva que tiene sepultados electrones con carga negativa.

*      A este modelo se le conoce como el modelo del pastel de pasas.

Modelo del átomo de Rutherford (1910)

*      La mayor parte de la masa del átomo y toda la carga positiva reside en una región muy pequeña y densa llamada núcleo

*      La mayor parte del volumen del átomo es espacio vacío en el cual se mueven alrededor del núcleo los electrones con toda la carga negativa del átomo.

Rutherford (en 1919) descubre a los protones y encuentra que tienen carga positiva y están en el núcleo

Chadwick (en 1932) descubre a los neutrones, encuentra que son partículas neutras y que se encuentran en el núcleo también     

Figura 5: Comparación de los modelos atómicos de Thompson y Rutherford

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La visión moderna de la estructura atómica

Aunque los físicos han identificado a la fecha una gran cantidad de partículas subatómicas, a los químicos generalmente únicamente les interesan las siguientes:

*      electrón

*      protón

*      neutrón

El Electrón

El electrón tiene una carga negativa que vale -1.602 x 10-19 C. Por conveniencia, la carga de las partículas atómicas y subatómicas se describe como un múltiplo de este valor (carga electrónica) y entonces a la carga del electrón nos referimos simplemente como -1

El Protón

El protón tiene una carga de +1 la carga electrónica (o, +1.602 x 10-19 C.

Los Neutrones

Los neutrones no tienen carga es decir son eléctricamente neutros

Todos los átomos para ser neutros deben tener igual número de electrones que de protones.

*      Los protones y los neutrones residen en el núcleo del átomo, este es pequeño comparado con el tamaño del átomo.

*      La mayor parte del espacio que ocupa un átomo es el lugar que ocupan los electrones moviéndose alrededor del núcleo.

*      Los electrones son atraídos por el núcleo pues ahí residen los protones que tienen carga positiva.

Nótese que la fuerza de atracción entre los electrones y los protones en el núcleo para diferentes átomos, es la base de muchas de las propiedades particulares de cada elemento. Los electrones juegan un papel primordial en las reacciones químicas. En los modelos atómicos representamos a los electrones como una nube difusa de carga negativa.

Figura 6: El modelo del átomo de Rutherford

*      La masa de un átomo es extremadamente pequeña, las unidades de masa que usamos para describir a las partículas atómicas es la unidad de masa atómica o UMA.  

*      Una unidad de masa atómica es igual a 1.66054 x 10-24 g.

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Masas de las partículas atómicas:

*      Protón = 1.0073 uma.

*      Neutrón = 1.0087 uma

*      Electrón = 5.486 x 10-4 uma

De esta comparación podemos ver que:

*      Las masas del protón y del neutrón son prácticamente idénticas

*      En el núcleo reside prácticamente toda la masa del átomo.

*      Los electrones aunque tienen la misma carga pero opuesta que los protones, únicamente tienen 0.05% de su masa

*      El tamaño de un átomo es tan pequeño, que el diámetro típico atómico está entre 1 x 10-10 y 5 x 10-10 metros.

Una medida muy conveniente de las distancias entre dos átomos es el angstrom (Å). Un angstrom es igual a 1 x 10-10 metros. Entonces, la mayoría de los átomos tienen diámetros de entre 1 y 5 Å

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Un modelo sencillo de los átomos

Le llamaremos el modelo de Bohr-Rutherford

Postula que:

*      Los átomos tienen un núcleo con protones y neutrones donde reside la mayor parte de la masa del átomo

*      Los electrones se mueven alrededor del núcleo en orbitales

*      Los electrones sólo se pueden encontrar en los orbitales

*      Cada orbital tiene una energía asociada

Es decir un átomo tiene:

*      Un núcleo pequeño, denso con carga positiva, en el centro con protones y electrones

*      Los electrones rodean al núcleo moviéndose a su alrededor formando una nube difusa

Al comparar el tamaño del núcleo con el del átomo podríamos decir que si el núcleo es del tamaño de una canica, el átomo seria del tamaño del estadio Azteca. El núcleo pesaría 300 toneladas

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Otro ejemplo: Alfileres y cubitos de sopa

La cabeza de un alfiler tiene un diámetro de alrededor de 1 x 10-3 metros (un milímetro.) Si un átomo tiene un diámetro de 2.5 x 10-10 metros, entonces:

(1 átomo / 2.5 x 10-10 metros) * (1 x 10-3 metros) = 4 x 106 átomos

Es decir, podemos alinear cuatro millones de átomos en la cabeza de un alfiler.

El diámetro de un núcleo atómico es de alrededor de 10-4Å. Entonces, el núcleo es de alrededor de 0.01% del diámetro de un átomo. Si el núcleo tuviese el mismo diámetro que una cabeza de alfiler, el átomo tendrá  un diámetro de mas o menos 10 metros.

El núcleo de un átomo es por tanto muy denso. Si se considera el caso de un núcleo que tiene un protón y un neutrón:

masa del núcleo = ~2.0 uma = 2 * (1.66 x 10-24 g) = 3.32 x 10-24 g

diámetro del núcleo = (aproximadamente) 1 x 10-4 Å = 1 x 10-14 m

radio del núcleo = 1 x 10-14 metros / 2 = 0.5 x 10-14 m

volumen del núcleo = (4/3) π(radio del núcleo)3

volumen del núcleo = 5.24 x 10-43 m3

masa / volumen = 3.32 x 10-24 g / 5.24 x 10-43 m3

masa / volumen = 6.34 x 1018 g / m3

Un cubo de sopa Knorr tiene alrededor de un centímetro cúbico, o 1 x 10-6 m3 y si estuviese hecho de puros núcleos atómicos pesaría:

(1 x 1018 g / m3) * (1 x 10-6 m3) = 6.34 x 1012 g

Es decir seis mil millones de kg o seis toneladas.