Consejería de Educación, Universidades y Empleo

IES “Romano García”

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TEMA 4 : LA MATERIA : PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y EL ÁTOMO

1.Fenómenos eléctricos: La electrostática

El hombre siempre ha tenido curiosidad por los fenómenos eléctricos. Hacia el año 600 a.C., Tales de Mileto frotó un trozo de ámbar(elektron) con piel de gato y observó que se acercaban unos trozos de pluma. Más adelante, en el s. XVI, William Gilbert, hizo una serie de experimentos en los que descubrió que la causa de la aparición de los fenómenos eléctricos era la fricción. Pensó que los cuerpos tenían unos fluidos que se movían cuando eran frotados y que producían estos fenómenos eléctricos. También descubrió que no todos los cuerpos tenían esta capacidad, y realizó una clasificación de cuerpos eléctricos y no eléctricos. En el s. XVII, Charles du Fay frotó una serie de objetos y comprobó que respondían de manera diferente a este fenómeno. Tomando el ámbar y el vidrio como referencia, observó que cuando acercaba dos cuerpos del mismo material se repelían y cuando acercaba dos cuerpos de distinto materia se atraían.

En el mismo siglo, Benjamin Franklin retomó la idea de que la electricidad era una especie de fluido que pasaba de unos cuerpos a otros cuando eran frotados. Llamó electricidad positiva a la que adquirían ese fluido al ser los cuerpos frotados y electricidad negativa la que adquirían los que perdían ese fluido. Para estudiar los fenómenos eléctricos se han inventado aparatos, que también nos permiten comprobar que dos cargas del mismo signo se repelen y dos cargas con distintos signos se atraen. El electroscopio es un recipiente de vidrio cerrado con un tapón de corcho atravesado por una varilla metálica. Del extremo inferior de la varilla cuelgan dos finas láminas metálicas (de oro o aluminio) y la parte superior está rematada con una esfera metálica. Se puede electrizar por contacto, al tocar la bola del electroscopio con una barra cargada eléctricamente, ésta se trasmite por la varilla hasta llegar a las láminas que, debido a que tienen el mismo signo de carga, se repelen, o por inducción, al acercar la barra cargada, las cargas del electroscopio se reordenan, quedando las positivas arriba y las negativas abajo haciendo que las láminas terminen por separarse.

El péndulo eléctrico es una bola aislada colgada por un hilo. Si lo tocamos con una varilla cargada (por ejemplo, negativamente), éste adquiere una carga negativa. Y si le aproximamos una varilla cargada positivamente, éste se alejará. El péndulo nos permite comprobar cómo actúan las cargas con mismo o distinto signo.

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El versorio permite detectar cuerpos cargados. Es una aguja metálica que gira sobre un eje vertical sin rozamiento. Al acercar un cuerpo cargado, la aguja gira. Se ha producido una electrización por inducción. Encontramos, pues, que existen tres tipos de electrización: - Por frotamiento. - Por contacto - Por inducción.

2.- Las partículas que forman el átomo. Gracias a diversos experimentos que se han realizado a lo largo de la historia, hoy en día se sabe que el átomo no es indivisible, como decía Dalton en su teoría, sino que está formado por distintas partículas: Los electrones, de tamaño muy pequeño y con carga negativa. Los protones, con carga positiva y con una masa 1840 veces mayor que el electrón. Los neutrones, de carga neutra y una masa similar a la del protón. 3.- Modelos atómicos

Después de diversos experimentos, que demostraban que había partículas más pequeñas que el átomo, ya que no eran neutras si no que poseían carga, se desechó la teoría atómico.molecular de Dalton y fueron apareciendo otros modelos mejorados.

Modelo atómico de Thomson Según Thomson, el átomo debía ser una gran masa de carga positiva, e insertados en ella, debían estar los electrones, de manera que la carga positiva y la negativa estuvieran compensadas y el átomo fuera neutro.

Experimento de la lámina de oro. Modelo atómico de Rutherford

En el siglo XIX, Rutherford hizo el siguiente experimento bombardeó una lámina de oro con partículas alfa, que son partículas cargadas positivamente y con gran cantidad de energía y observó que: - La gran mayoría de las partículas atravesaba la lámina de oro sin apenas desviarse. - Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina pero desviaban levemente. - Y por último, una pequeñísima parte de las partículas (1 de cada 10.000), rebotaba hacia atrás al

llegar a la lámina. A raíz de estos resultados, el modelo atómico de Thomson se desechó al no poder explicar porque rebotaban estas partículas, y Rutherford sugirió un nuevo modelo atómico.

Él propuso que la carga positiva estaba concentrada en una parte muy pequeña de él, llamada núcleo y orbitando alrededor del núcleo, pero muy lejos y como si del Sistema Solar se tratara, se encontraban los electrones, en lo que sería la corteza. En el núcleo se encontraría toda la masa del átomo. Con el modelo de Rutherford se explica la experiencia de la lámina. Como la mayor parte del átomo está vacío, la gran mayoría de las partículas alfa pasan por la lámina sin desviarse, ya que no encuentran ningún obstáculo. Una pequeña parte pasa cerca de su núcleo, y puesto que ambos son del mismo signo se repelen. Esto explica la desviación. Sólo una pequeñísima parte de las partículas choca con el núcleo, las cuales son repelidas y vuelven hacia atrás. Distintas experiencias han permitido medir el tamaño de los átomos y si consideramos el átomo esférico podríamos decir que el núcleo es 10000 veces más pequeño que el átomo en sí. Es decir, Si el núcleo fuera una canica los electrones serían cabezas de alfileres que orbitarían en un radio de 100 metros.

De hecho, Rutherford se aventuró a decir que en el núcleo debían existir una serie de partículas “neutras” que sirvieran de “pantalla” entre protones ya que, al ser tener todos la misma carga, se repelerían y el núcleo no sería estable. Más adelante, se comprobó (Chadwick) que en el núcleo existían también partículas de carga neutra y una masa similar al protón. Modelo atómico de Bohr De nuevo el modelo de Rutherford fue mejorado. Por la ley de la electromagnética, los objetos que giran alrededor de otro pierden energía con lo cual el objeto de mayor tamaño los atrae, en el caso del átomo de ser así, llegaría un momento en que los electrones irían perdiendo energía y se precipitarían sobre el núcleo. Por tanto, el método de Rutherford ya no era válido pues de estar dispuesto los electrones de esa manera, algo más debía haber para que no perdieran energía. Bohr propuso su modelo atómico en 1913 y basándose en la teoría de ondas. En él propuso que los electrones no se movían aleatoriamente alrededor del núcleo, si no que lo hacía describiendo órbitas circulares alrededor del núcleo., en las cuales no se perdía energía. Esta distribución no se realizaba de cualquier manera. Así como en el modelo de Rutherford había un electrón por órbita (e_), en este modelo los electrones se distribuían en capas determinadas, a cierta distancia del núcleo, de modo que cada una poseía una cantidad fija y definida de energía. Estas capas se llaman “niveles de energía”. Los electrones se sitúan a partir de los niveles más bajos y conforme se van llenando se van colocando en los niveles de energía superiores. No todas las órbitas están permitidas sino que están determinadas, al igual que la energía que hay en ellos, por eso se dice que está cuantizado. Modelo atómico actual El modelo atómico de Bohr se desechó pues tenía unas deficiencias. Actualmente, habiendo estudiado los electrones como si fueran ondas, no se habla de órbitas (línea circular o elíptica que describe un electrón), sino que se habla de orbitales, zona de máxima probabilidad de encontrar un electrón. Ya no se habla de órbitas circulares alrededor del núcleo, se habla de orbitales que pueden tener formas muy variadas. Y dentro de cada capa de energía, pueden existir varios orbitales pero en cada uno de ellos sólo caben dos electrones como máximo.

Configuración electrónica

Los niveles de energía o números cuánticos son 7, numerados del 1, el más interno, al 7, el más

externo.

A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro

tipos: s, p, d, f.

En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2

electrones cada uno.

Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f.

De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es:

2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7). En el nivel 1 hay sólo un subnivel “s”, que se llena con 2 electrones como máximo. En el nivel 2 hay dos subniveles: - “s” que se llena con 2 electrones máximo. - “p” que posee tres orbitales que se llenan con 6 electrones máximo. En el nivel 3 hay tres subniveles: - “s” que se llena con 2 electrones máximo - “p” que posee tres orbitales que se llenan con 6 electrones máximo. - “d” que posee 5 orbitales y se llenan con 10 electrones como máximo. En los niveles 4 hay 4 subniveles: - “s” que se llena con 2 electrones máximo. - “p” que posee tres orbitales que se llenan con 6 electrones máximo. - “d” que posee 5 orbitales y se llenan con 10 electrones como máximo. - “f” que posee 7 orbitales y se llenan con 14 electrones como máximo. A partir del nivel 5, se va reduciendo un subnivel por cada nivel, pues no hay elementos suficientes para llenar todos los orbitales. Pasos 1.- Necesitamos conocer el número de electrones del elemento(Z = nº atómico = número de protones = nº de electrones).

2.- Distribuimos los electrones según las niveles de energía y la capacidad de sus orbitales, recurriendo al esquema.

Cloro Z =17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Bromo Z = 35 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Sistema periódico: ¿Cómo conocer donde está situado un elemento en la Tabla Periódica a partir de su configuración electrónica? El sistema periódico está distribuido en - Grupos (columnas del 1 al 18) - Periodos (filas de la 1 a la 7) Una vez desarrollada la configuración electrónica podemos conocer el grupo y el periodo del elemento y, por tanto, su identificación. - El número cuántico mayor me indica el periodo. - De este número cuántico mayor cuento el número de electrones del orbital s + p. Ese número indica el grupo.

Ejemplo: Identifica el elemento con Z = 37.

Hago la configuración electrónica de los electrones. Nº cuántico mayor: 5 Nº electrones orbitales s + p , del número cuántico más alto 5. Es 1 Deducimos: Periodo �5, Grupo �1 Miramos en la tabla periódica y vemos que corresponde al Rubidio. Ejemplo: Identifica el elemento con Z = 7. Hago la configuración electrónica de los electrones. 1s2 2s2 2p3 Nº cuántico mayor: 2 Nº electrones orbitales s + p, del número cuántico más alto 2. Es 2+3 = 5 Deducimos: Periodo �2, Grupo �15 Miramos en la tabla periódica y vemos que corresponde al Nitrógeno.

OBSERVACIÓN: Para saber el grupo de los elementos en cuyo último nº cuántico se encuentre un orbital p hay que sumarle 10, es decir, hay que calcular: s + p + 10 4.- Átomos, isótopos e iones

Para representar un átomo se utiliza un símbolo y dos números: XA

Z X es el símbolo de la tabla periódica (Inicial de su nombre latino). Z es el número atómico, que indica el número de protones. A es el número másico, indica el número de protones más el número de neutrones, es decir, elementos que hay en el núcleo. Entonces, concluimos que A – Z es igual al número de neutrones En un átomo neutro, el número de protones coincide con el número de electrones. Así que Z también es el número de electrones. La masa del átomo es la suma de las masas de las partículas que lo forman. Es similar a la suma de la masas de los protones y los neutrones ya que el tamaño de los electrones es despreciable. Es una cantidad similar al número másico, A. Isótopos Todos los átomos de un elemento químico posee el mismo número de protones, sin embargo, el número de neutrones puede variar. Llamamos isótopos de un elemento químico a los átomos que tienen el mismo número de protones y se diferencia en el número de neutrones. Por lo tanto, tienen mismo símbolo y Z y distinto A. No hay que olvidar que los isótopos son átomos de un mismo elemento ya que lo que lo determina es el número atómico, y éste no varía. Sólo el número de neutrones cambia.

La mayoría de los elementos poseen isótopos en la naturaleza. La masa atómica de un elemento químico es la masa media de los átomos de ese elemento. Para calculara tendremos que tener en cuenta la masa cada isótopo, y su abundancia en la naturaleza. IONES

Los átomos pueden perder y ganar electrones. Esto lo hacen para poder formar compuestos. De este modo dejan de ser neutros y pasan a estar eléctricamente cargados. Decimos pues que se han transformado en iones. Cuando un átomo pierde electrones, adquiere carga positiva y se convierte en un ión positivo o catión. Cuando un átomo gana electrones, adquiere carga negativa y se convierte en un ión negativo o anión. Ejemplos: Si pierde tres electrones, toma carga +3. Ión Al 3+ Si gana un electrón toma carga -1, Ión cloruro Cl-

5.- Radiactividad Como hemos visto, los átomos de un elemento pueden ganar o perder electrones. En general, los núcleos de los átomos no cambian, sin embargo, existen ciertos átomos cuyo núcleo es inestable y se pueden romper. La energía que se emite en la desintegración de los núcleos de estos átomos inestables se llama radiación. La radiactividad es el proceso que experimentan algunos núcleos atómicos que les lleva a emitir radiación. Se llaman isótopos radiactivos aquellos que emiten esta radiación, que puede ser de tres tipos: - Radiación alfa (rayos α) son partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de He). Su carga es positiva, se emiten a gran velocidad (radiación ionizante). Tienen poco poder de penetración: no traspasan la ropa. - Radiación beta (rayos β) está formada por electrones. Tienen carga negativa y su masa es muy pequeña. Tienen mayor poder de penetración que las partículas α, son frenados por las placas de metal. - Radiación gamma (rayos γ) es una radiación neutra, del mismo tipo que la luz. Tiene gran capacidad de penetración, sólo son frenadas por gruesas capas de plomo o de hormigón.

La fisión ocurre cuando un núcleo de isótopos radiactivos de elementos formados por átomos muy grandes, como el uranio o el plutonio, se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones. Las reacciones de fisión ocurren tras ser bombardeado el núcleo por neutrones. Además de obtener otros núcleos más pequeños se liberan nuevos neutrones, que bombardean y rompen otros núcleos grandes, produciéndose lo que se llama una reacción en cadena. En esta acción se libera una gran cantidad de energía denominada energía nuclear.

La fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de una cantidad enorme de energía. La fusión nuclear se produce de forma natural en las ESTRELLAS. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada ya que necesita que los átomos alcancen temperaturas extremadamente altas para que se produzca la fusión de núcleos y no ha se ha logrado de una manera que sea rentable. http://nea.educastur.princast.es/repositorio/VIDEOS/2_1_nea_colab08_BACH_05%20La%20estructura%20de%20la%20materia%20A.swf

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