Existen ciertas sustancias que liberan rayos de luz invisibles. Esta propiedad se llama radiactividadLa radiactividad es el rompimiento espontáneo de núcleos inestables con liberación de energía y partículas; en donde se producen núcleos estables con un número de protones y de neutrones distinto del original.Las sustancias radiactivas naturales, como el radio o el polonio, no necesitan la intervención del hombre para romper o dividir sus núcleos. Sin embargo, durante el siglo XX, el hombre logró dividir los átomos y este proceso implica una

En la tierra se conocen actualmente 118 elementos, de los cuales 90 comprendidos entre el hidrógeno

y e l u ran io son elementos naturales ( e l p r o m e t i o y e l tecnec io son artificiales), y los demás se obtienen p o r r e a c c i o n e s nuc leares como p a r t e d e l a d e s i n t e g r a c i ó n de otros núcleos radiactivos.

El origen del universo nos da respuesta a las preguntas: ¿Por qué solo existen 90 elementos naturales? y ¿Cuál es la razón de su poca o mucha abundancia?. La teoría más seguida sobre la formación del universo es la del Big-Bang que se basa en un principio donde toda la materia del universo estaba contenida en un núcleo primitivo con una densidad aproximada de 1096 g/cm3 y una temperatura aproximada a 1032 K, se supone que este núcleo explosionó y distribuyó materia y radiación uniformemente a través del espacio. Se produjo así el principio de expansión del universo que al ir expandiendo se enfrió, lo que permitió la formación de las primeras partículas llamadas quarks, y se diferenciaban ya las cuatro fuerzas principales: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

gran liberación de energía en diversas formas. De éstas la más fácil de determinar es el calor, semejante al que se produce al quemar leña y por ello se dice que los átomos son también un combustible.Cuando un átomo se considera un combustible, significa que almacena energía en su núcleo, la que puede liberarse como producto de alguna de las siguientes transformaciones:

Fisión nuclear, división de un núcleo de gran masa.Fusión nuclear, unión de núcleos de masas pequeñas.La energía nuclear es la que se libera en estos dos procesos.

Las sustancias puras constituidas por una sola clase de núcleos atómicos, se denominan elementos. Estas no se pueden descomponer en otras sustancias más sencillas.El número atómico representa el número de protones que posee el núcleo de un átomo, y es propio para cada uno de ellos. Así solo los átomos de hierro (Fe) poseen 26 protones en su núcleo. Si el hierro ganara un protón, perdería su identidad química y física de hierro y pasaría a ser cobalto (Co) cuyo número atómico es 27. Si el plomo (Pb) perdiera 3 protones que se formaría?.

SUSTANCIAS RADIACTIVAS NATURALES

Transcurrido un tiempo de aproximadamente 6·10-6 s desde el Big-Bang se cree que la temperatura era cerca de 1,4·1012 K, los quarks en estas condiciones interaccionan entre sí y forman protones, neutrones y después se estabilizan los electrones. – El neutrón es inestable como partícula aislada, su vida media es de 11,3 minutos descomponiéndose en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico–. Sigue corriendo el tiempo y en un segundo, después de un periodo de extensas aniquilaciones partícula–antipartícula, se forman los fotones electromagnéticos. A continuación las fuertes fuerzas nucleares hicieron que una gran cantidad de neutrones y de protones se combinaran para dar núcleos de Deuterio (n + p) y de Helio (2n+ 2p). Durante un tiempo comprendido entre 10 y 500 s, el universo se comporta como un colosal reactor nuclear de fusión, y va a convertir el H en He, la temperatura antes de esto era tan alta que no podía existir He y solo existía H. Se cree que a los 8 minutos del Big-Bang la composición del universo era así: ¼ de la masa era He y ¾ eran H, también se cree que había 10-3% de Deuterio y 10-6% de núcleos de Li.Existen grandes diferencias en la composición de elementos en el sistema solar pero existe gran uniformidad en el conjunto del universo. El H es el elemento más abundante en el universo constituyendo el 88,6%, después el He que es 8 veces menor que el H (11.3 %) y los demás elementos el 0,1% .

ORIGEN DE LOS ELEMENTOS

LOS ELEMENTOS QUÍMICOS Y LA ESTRUCTURA ATÓMICAProfesor: Luis Alfredo Serna 1

Uranio

Niobio

Un segundo después de la gran exploción el universo estaba formado por un plasma de neutrones, protones, neutrinos. La temperatura era tan alta que no había átomos. Este plasma y las elevadas energías dieron lugar a distintas reacciones nucleares. Como consecuencia de la expansión la temperatura fue disminuyendo y cuando se alcanzó 109K, se originaron otras reacciones nucleares que llevaron a la formación de átomos.

Con el tiempo la temperatura disminuye lo suficiente para que las partículas positivas puedan capturar electrones y formar átomos, que pueden interaccionar entre sí conduciendo a la formación de átomos diferentes, los cuales empiezan a condensarse y forman el núcleo de estrellas y con la radiación se expande el universo.

Para un tiempo de 30 a 60 minutos los núcleos formados eran 2H; 3He; 4He; 5He, siendo estables hasta el 4He. Van evolucionando a átomos y en las estrellas tiene lugar reacciones nucleares que dan lugar a los elementos químicos. Para justificar esta formación se recurre a los ‘hornos de combustión’ que actúan como reactores nucleares, en estos se van a formar los elementos.En el llamado Horno de Hidrógeno se van acumulando los núcleos para formar estrellas densas en las cuales la fuerza de gravedad mantiene en el núcleo unas elevadas temperaturas que van a facilitar algunas reacciones de tipo nuclear. Los átomos que se van a formar en esta etapa son H y He y a partir de estos en el núcleo de las estrellas se van a formar otros elementos.Para generar otros elementos se requiere la combinación

de H-He ó He-He por reacciones termonucleares de fusión en las estrellas con mayor temperatura interna, 108K. Ahora se dan en el interior otras reacciones que constituyen el Horno de He. En estrellas mayores con temperatura mayor a ˜ 6·108 K, además de las reacciones anteriores se pueden dar otras como el Horno de Carbono-Nitrógeno.El resultado de todas estas reacciones hasta ahora, es la transformación de H en He, pero ya se van obteniendo varios elementos más pesados, que interaccionan entre sí para dar lugar a otros aún más pesados. La síntesis de estos elementos va en función de la temperatura que hay en el centro del núcleo de la estrella. Las reacciones de estos elementos pesados, dependen de una compleja relación entre, la temperatura, la estabilidad del mismo y su vida media. La máxima estabilidad de estos se sitúa alrededor del hierro, y todas las reacciones que se producen hasta el hierro (Fe) son de tipo exotérmico. Por esto el hierro es más abundante que sus vecinos.Si las reacciones se produjeran indefinidamente el universo estaría comprendido prácticamente de Fe, pero a consecuencia de la expansión del universo la temperatura fue disminuyendo de forma que las reacciones de fusión se hicieron más lentas ó pararon.En el universo existen elementos más pesados que el Fe, y estos se formaron a partir de la adición de neutrones a los núcleos y posterior emisión electrónica. En entornos de baja densidad neutrónica la adición se producía más lentamente, sin embargo en entornos de alta densidad neutrónica la adición era rápida, como se da en las Novas, se puede adicionar de 10 a 15 neutrones en poco tiempo originando otro tipo de elementos.

26Fe36 + 13 0n1 → 26Fe49 → 27Co49 + -1e

0

Los elementos muy pesados se pueden formar también de esta forma, después de la adición neutrónica tiene lugar la pérdida de electrones.Para la explicación del origen de los elementos en la tierra se discuten muchas teorías de las cuales la más aceptada es la siguiente: la tierra en un principio tenía una temperatura muy elevada, por la expansión sufrió un enfriamiento generándose las distintas capas; un núcleo denso, sólido y formado por Fe y Ni; envuelto por una fase líquida(magma); y por último una corteza externa.La distribución de los elementos en la tierra ha dependido de las fuerzas que han actuado sobre ella. Nos encontramos en la corteza muchos depósitos de materiales (menas), las cuales se justifican si se recurre a la Tectónica de Placas. Estos materiales proceden del magma fluido que asciende por grietas existentes en la corteza llegando a la superficie, en esta se solidifican formando filones u otros dispositivos, explicando así las distintas concentraciones de elementos de la corteza.Los agentes atmosféricos, por ejemplo, nos dan una reacción la cual ayuda a comprender algunos depósitos de Al no esperados, esta reacción es: 4 KAlSi3O8 + 4 CO2 + 22 H2O --> 4 K+ + 4 HCO3

- + Al4Si4O10(OH)8 + 8 H4SiO4

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Utilizando una escala de masas relativas basada en el isótopo 12 C, se estableció la Unidad de Masa Atómica (u.m.a.) que es la doceava parte de la masa de éste átomo de carbono. Se le asignó al carbono una masa atómica de 12 u.m.a. (1 u.m.a.=1.67x10-24 g). Ej: MAH = 1.007 u.m.a., MAO = 15.99 u.m.a.A la fracción numérica de la masa atómica se le llama Peso Atómico (P.A.) del elemento y expresada en gramos se le denomina Átomo-gramo (At-g),¿A cuántos gramos son iguales 2 At-g de carbono?. ¿Cuál es el peso atómico y la masa atómica del hierro y del sodio respectivamente?¿Cuál es la masa de una mol de átomos de cobre?

Los QUARKS son por lo menos cien millones de veces más pequeños que un átomo. Cuando tres quarks forman un protón o un neutrón, estas partículas son mil veces mayores que ellos.

El electrón – partícula beta negativa (e-): Carga eléctrica (-)1.602x10-19Coulombios. Su masa es 9,1090 x 10-28gr.El positrón – partícula beta positiva (e+) Carga igual a la del protón y masa igual a la del electrón.Protón (H+) Carga eléctrica (+)1.602x10-19Coulombios. Su masa es 1,6726 x 10-24gr.Neutrón (nº) Carga eléctrica 0. Su masa = 1,675 x 10-24gr.El neutrino y el antineutrino no tienen carga y su masa es menor que la del electrón.

NÚMERO DE MASA (A): Es la suma de protones y neutrones de un átomo, A = Z + nºISÓTOPOS: No siempre todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de neutrones. A los átomos de un elemento que se diferencian por el número de neutrones se les llama isótopos, y por lo tanto sus números de masa son diferentes. Ej. 12 C, 13 C, 14 C, el hidrógeno tiene tres isótopos, el Protio (1 H), el Deuterio (2 H), el Tritio (3 H).MASA ATOMICA (M.A.): Masa de un átomo expresada en relación al átomo de carbono.La masa de un átomo es muy pequeña, la del carbono es 2.004 x 10-23 g la del oxígeno es 2.65 x 10-23 g.

ALGUNAS CARACTERÍSTICAS

Muy pronto, utilizando aceleradores de partículas, se descubrieron otros más y concluyeron que éstas podían clasificarse en tres familias. Los electrones, los muones, los tau y los neutrinos son, variaciones del tipo leptón. Los neutrones, protones, hiperones, piones y el kaón son del tipo hadrón. Los bosones son diminutas partículas mensajeras que transmiten toda la fuerza básica del universo. Los fotones, por ejemplo, son los bosones que transportan la fuerza electromagnética, que incluye las ondas de radio, la luz visible y los rayos X, y pueden existir los gravitones, responsables de la fuerza gravitatoria.Se cree que todos los hadrones están constituidos por partículas incluso más básicas, los quarks. Los neutrones y los

protones son tripletas de quarks; los piones son pares. Junto con los leptones, los quarks parecen ser las unidades constitutivas del universo. En 1930, el físico británico Paul A. M. Dirac predijo, por motivos teóricos, que a cada partícula elemental le corresponde otra conocida como antipartícula de la primera. La antipartícula del electrón fue descubierta en 1932 por Carl D. Anderson, que la llamó positrón. En el mismo año, James Chadwick, descubrió el neutrón. El antiprotón fue descubierto en 1955 por Owen Chamberlain y Emilio Segre. Se cree que la mayoría de la antimateria fue destruida, poco después del Big Bang, junto con la mayor parte de la materia, quedando sólo la pequeña cantidad existente en el universo actual.

Originalmente se aplicó el término “partícula elemental” a estos constituyentes de la materia porque se creían indivisibles. Hoy se sabe que muchas de estas partículas son sumamente complejas, pero se las sigue llamando partículas elementales.Los átomos y las moléculas tienen diámetros del orden de 10-10 m, y el estudio de sus estructuras provocó grandes avances de la teoría cuántica entre 1925 y 1930. A principios de la década de 1930, los científicos empezaron a investigar la estructura de los núcleos atómicos, que tienen diámetros de entre 10-15 y 10-14 metros. Los conocimientos sobre la estructura nuclear avanzaron hasta el punto de hacer posible el uso de la energía nuclear, tanto en las centrales nucleares como en las armas nucleares.La ciencia ha revelado un fascinante y complejo mundo subatómico conformado por toda clase de partículas. La comunidad científica creyó alguna vez que los átomos eran estructuras simples formados por sólo tres partículas fundamentales: electrones, protones y neutrones. Sin embargo, el estudio de la radiactividad demostró que cuando un neutrón se descompone en un protón, liberando un electrón,—descomposición beta—, existe una diminuta porción de masa con la que antes no se contaba. Esto sólo podía explicarse por la presencia de una partícula fantasma llamada neutríno. Más tarde se descubrieron en los rayos cósmicos partículas especiales del tipo de los electrones pesados, llamadas muones y piones, que mantienen unidos a los protones y a los neutrones.

LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS“Hay un montón de espacio libre ahí dentro” (R. Feynman refiriéndose al átomo)

RELACIONES DE MASAS

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El conocimiento de la estructura atómica es fundamental para poder entender el comportamiento químico de las sustancias. El descubrimiento de las partículas subatómicas como los protones, los electrones y los neutrones, a finales del siglo XIX, impulsó a los químicos de la época a proponer modelos para explicar cómo estaban constituidos

los átomos.El primer modelo atómico fue propuesto por Thomson a finales del siglo XIX. Según Thomson, los átomos eran esferas macizas, cargadas positivamente, en las que se encontraban embebidos los electrones. Años más tarde, en 1911, un estudiante de doctorado de Thomson, llamado Rutherford, estableció otro modelo atómico. Rutherford propuso que el átomo era esférico y en su centro se concentraba toda la carga positiva

y casi la totalidad de la masa atómica. Alrededor de dicho centro o núcleo giraban los electrones, de manera que el número de electrones era igual al de protones. El núcleo ocupaba, según Rutherford, un espacio muy pequeño comparado con el volumen total ocupado por el átomo, de tal suerte que éste podría considerarse prácticamente hueco.

LOS MODELOS ATÓMICOS - ANTECEDENTES HISTÓRICOS

En 1913, Niels Bohr propone un nuevo modelo atómico para poder explicar la discontinuidad de los espectros atómicos y solucionar los problemas que planteaba el modelo de Rutherford.

El modelo de Bohr consta de una serie de postulados:- El átomo está constituido por una zona central o núcleo donde se concentra toda la masa y la carga positiva del átomo.- Los electrones giran entorno al núcleo en órbitas circulares estacionarias.- Los electrones sólo se mueven en órbitas estables. Es decir, para Bohr el radio de las órbitas está cuantizado, igual que las energías correspondientes a ellas, de

forma que el electrón puede ocupar determinada órbita dependiendo de su energía.- Los electrones que giran en órbitas estacionarias no absorben ni emiten energía durante su movimiento. Los electrones pueden absorber o emitir energía cuando saltan de una órbita a otra de distinto radio. En 1924 De Broglie presenta su teoría denominada dualidad onda-partícula: una partícula lleva asociada siempre una onda. Una consecuencia más importante de la naturaleza dual de la materia es el principio de incertidumbre de Heisemberg, enunciado en 1927. Según este principio no es posible atribuir al electrón órbitas precisas alrededor del núcleo, porque ello implicaría el conocer exactamente la posición y la

velocidad del electrón en cada instante. En consecuencia, para discutir el movimiento del electrón, con una energía dada o velocidad conocida, alrededor del núcleo es necesario hablar en términos de probabilidades de encontrar a dicho electrón en una determinada posición.Esas probabilidades desde el punto de vista del modelo cuántico se traducen en los números cuánticos, designados como n, l y ml. El primero de ellos, n, se denomina número cuántico principal y puede tomar valores enteros desde 1 hasta infinito (n = 1, 2, 3...).El segundo, l, es el número cuántico orbital (o número cuántico azimutal) y sus valores varían entre 0 y n-1 (l = 0, 1, 2,..., n-1). Finalmente, ml se conoce como el número cuántico magnético, y toma valores comprendidos entre -l y l, ml = -l...,0...,+l (de unidad en unidad). Cada número cuántico caracteriza a una propiedad que está cuantizada en el electrón, es decir, que sólo pueden presentarse en determinados valores: n define el nivel o capa de energía, l indica la forma del orbital y ml la orientación del orbital en el espacio.Para la orientación del giro del electrón sobre su propio eje, se ha definido el numero cuántico spin (ms); tiene valores de –½ ó +½.

“El mundo físico que conocemos, no es sino una abstracción del mundo real, hecha por los sentidos con propósitos prácticos. En primer lugar el modelo del átomo solo puede ser matemático y abstracto y descarta toda tentativa de representación visual” (Arcesio Garcia).El modelo actual del átomo, y del universo, es puramente matemático, imposible de una representación real y que está perfectamente ceñido a la expresión de Einstein: “En la medida que las leyes matemáticas se refieren a la realidad no son exactas; en la medida en que sean exactas no se refieren a la realidad”, lo único que podemos describir de ellos son sus propiedades matemáticas.

Con base en la matemática se llega al concepto abstracto del orbital atómico, cuya interpretación es un gráfico de la probabilidad de encontrar al electrón a cierta distancia del núcleo.

•- Que diferencias presenta la teoría atómica actual de la materia con la teoría de los griegos del siglo V antes de nuestra era?•- Qué aplicaciones tecnológicas tiene la energía nuclear?•- Qué precauciones se deben tener con la utilización de la energía nuclear?

ANALICE Y RESPONDA

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¿Qué se entiende por orbital atómico?¿Cómo se determina el número de orbitales por nivel?¿Cómo se determina el número de subniveles en cada nivel de energía?

1- Cuales son las características de las siguientes partículas subatómicas: El protón, el antiprotón, el electrón, el positrón, el neutrón, el antineutrino, el fotón. 2- Explique el porque en otros astros, demasiado distantes de la tierra, existen elementos que son comunes en nuestro planeta, como hierro, oxígeno, carbono, silicio, hidrógeno, helio,……… 3- Quienes y como reconocieron por primera vez a los protones, los electrones y los neutrones.4- Cuál es la configuración electrónica de los siguientes elementos: Carbono, Sodio, Helio, Kriptón, Azufre, Silicio, Flúor, Cromo.5- Según el principio de exclusión de Pauli, ¿cuántos electrones pueden situarse en la capa 2 y cuántos en el subnivel 3p?6- Cuáles han sido los criterios para asignar los nombres y los símbolos a los elementos químicos? Explique con ejemplos.Consulte sobre “Los superconductores” y escriba una síntesis de una página sobre el tema.

La configuración o distribución electrónica es una representación de la forma como estarían “organizados” los electrones en el átomo según la energía que posean.

El número cuántico principal define una serie de capas del átomo, o conjunto de orbitales con el mismo valor de n y por tanto de la energía. Los orbitales que pertenecen a cada capa se clasifican en subcapas que se distinguen por el valor del número cuántico l. Así, la capa n = 1 sólo contiene una subcapa con l = 0; la capa n = 2, posee dos subcapas, una con l = 0 y otra con l = 1; la capa n = 3 posee tres subcapas (l = 0, l= 1 y l = 2) y así sucesivamente. Por motivos históricos, se emplean letras (s, p, d, f) para designar las distintas

Representación de la probabilidad de alguno de

los electrones d.

subcapas que dependen del valor del número cuántico l. Una subcapa de número cuántico l consta de 2l+1 orbitales individuales que se distinguen entre sí por el valor del número cuántico ml, el cual puede adoptar 2l+1 valores diferentes. En términos clásicos ml denota la orientación del orbital ocupado por el electrón. La subcapa p contiene 3 orbitales que se distinguen por los valores ml = -1, 0, +1. La subcapa d consta de cinco orbitales caracterizados por ml = -2,-1,0,+1,+2.

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE ÁTOMOS

Es un principio fundamental que la configuración electrónica asignada debe estar de acuerdo con el comportamiento experimental observado, el que generalmente se refleja en datos espectroscópicos o magnéticos.Se deben tener en cuenta ciertos principios o reglas que permiten asignar configuraciones electrónicas probables para los átomos de los diversos elementos. 1. Los electrones tienden a ocupar orbitales de energía mínima.A partir de un diagrama de niveles

energéticos, como el de la figura, es posible establecer la secuencia con la que se “llenan” los orbitales. Para el 43Tc sería: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d5 2. “En un átomo no pueden encontrarse dos electrones con los cuatro números cuánticos idénticos (Principio de exclusión de Pauli)3. “Cuando hay disponibles orbitales de energía idéntica, los electrones tienden a ocuparlos de uno en uno con igual spin y no por pares“ (Principio de la multiplicidad máxima o regla de Hund)Orden de subniveles por

la energía que poseen

PREGUNTAS PARA EL ANALISIS

CAPAS SUBCAPAS Y ORBITALESLOS ELEMENTOS QUÍMICOS Y LA ESTRUCTURA ATÓMICA

Luis Alfredo Serna

Gerhard Hezbert: Alemán, físico químico y profesor universitario, fué galardonado con el premio Nobel de química por sus trabajos sobre la estructura electrónica y la geometría de las moléculas, en 1971.

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