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COLEGIO ENRIQUE NOVELLA ALVARADO ÁREA CIENTÍFICA, QUÍMICA QUINTO BACHILLERATO PEM Q/B CARLOS CORONADO

TEORÍA ATÓMICA

A. El Átomo La civilización griega fue la que nos proporcionó el concepto filosófico de átomo. En

su evolución conceptual, la clave para el estudio de la naturaleza del átomo está en

su naturaleza eléctrica. Aunque actualmente se ha descubierto una gran cantidad

de partículas subatómicas, que se cuentan por cientos, es importante presentar los

aportes históricos que nos han brindado los investigadores hasta llegar a la teoría

de la mecánica cuántica, soporte actual de la estructura atómica.

Para describir la conformación del átomo mediante sus partículas fundamentales:

protón, neutrón y electrón se han expuestos varias teorías y/o modelos.

1. MODELO ATÓMICO DE DALTON Con base en la teoría de Dalton un átomo se define como la unidad básica

de un elemento que puede entrar en combinación química. Dalton propuso

un átomo como una partícula extremadamente pequeña e indivisible. El

átomo se caracterizaba por su masa. Dalton enunció que la materia está

formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos y que los átomos de

un mismo elemento son idénticos, con igual masa e iguales propiedades

químicas.

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2. MODELO ATÓMICO DE THOMSON A principios de 1,900 dos hechos relativos a los átomos habían quedado

claros: contienen electrones y son eléctricamente neutros. A principios del

siglo XX el modelo aceptado para los átomos fue el propuesto por J.J.

Thomson, según su planteamiento un átomo podía considerarse como una

esfera de materia positiva en la cual se encuentran incorporados los

electrones de carga negativa; la famosa interpretación de su modelo semeja

el “budín” de pasas.

3. MODELO ATÓMICO DE JEAN PERRIN El físico francés Jean Perrin, Premio Nobel de 1,926, modificó el modelo de

Thomson sugiriendo que las cargas negativas son externas al budín positivo.

Por primera vez se sugiere que las cargas negativas son externas.

4. MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD En 1,910, con base en su célebre experimento, realizado junto con su colega

Hans Geiger y el estudiante en ese entonces Ernest Mardsen, de la

dispersión de partículas alfa al chocar con láminas sumamente delgadas,

propuso un modelo del átomo en el cual el núcleo es el responsable de la

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masa del átomo y de la carga positiva que posee el conglomerado central al

que llamó núcleo, dicho núcleo es sumamente pequeño comparado con las

dimensiones del átomo. Propuso que los electrones se sitúan alrededor del

núcleo, fuera de él, a manera de satélites, describiendo distintas trayectorias

sin definir su forma de trayecto.

“Hacia 1,932 James Chadwick demostró la existencia de partículas

eléctricamente neutras con masa ligeramente superior a la del protón; les

llamó neutrones, su descubrimiento le significó el Premio Nobel de física en

1,935.”

5. MODELO ATÓMICO DE BOHR Como consecuencia de los estudios de la radiación, que puede considerarse

como una corriente de partículas energéticas, fotones o cuantos de energía,

y aplicando las ideas de Max Planck en esta área, Niels Bohr sentó sus

experimentos basado en radiactividad y espectroscopia y aplicó al átomo de

hidrogeno su modelo de los niveles de energía.

El modelo de Bohr se fundamenta en cuatro postulados básicos:

I. Los electrones en los átomos están localizados en órbitas circulares o

niveles de energía alrededor del núcleo.

II. Los electrones en las órbitas más cercanas al núcleo tienen menor

energía que aquellos en órbitas más alejadas del núcleo.

III. Cualquier electrón en un átomo puede tener sólo ciertos valores de

energía permitidos. Esta energía determina que órbita, nivel, ocupa el

electrón.

IV. Los electrones puede moverse de una órbita a otra. Para esto un

electrón debe ganar o perder una cantidad exacta de energía, es decir,

un cuanto de energía.

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La teoría de Bohr, aunque parcialmente válida, sirve de base para la

concepción actual de la estructura del átomo, desde el ángulo de la mecánica

cuántica.

B. RELACIONES DE MASA Y CARGA DE LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

PARTÍCULA MASA (Kg) CARGA

COULUMBIOS UNITARIA PROTÓN 1.67252*10 – 27 1.6022*10 – 19 + 1 NEUTRÓN 1.67495*10 – 27 0 0 ELECTRÓN 9.1095*10 – 31 1.6022*10 – 19 - 1

NÚMERO ATÓMICO: Es el número de protones presentes en el átomo. Se

representa por Z.

NÚMERO DE MASA: Es la suma de protones y neutrones presentes en el núcleo

atómico. Se representa por A.

“LOS PROTONES Y NEUTRONES CONFORMAN EL LLAMADO NUCLEON EN

EL ÁTOMO”

El número de masa puede proponerse así:

𝐴 = 𝑍 + 𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠

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Generalmente los átomos de un mismo elemento no tienen el mismo número de

masa porque en la mayoría de los casos átomos de un mismo elemento tienen

distinto número de neutrones en su núcleo, ello significa: los átomos tienen el

mismo número atómico pero tienen distinto número de neutrones, se llaman

ISÓTOPOS.

Es aceptable utilizar la siguiente presentación para indicar el Número Atómico (Z) y

el Número de Masa (A) de un elemento:

A manera de ejemplo:

El átomo de hidrógeno tiene tres tipos de isótopos:

a) El protio: sin neutrón

b) El deuterio: con 1 neutrón

c) El tritio: con 2 neutrones

SIMBOLICAMENTE SE ORESENTA ASÍ:

𝐻11 𝐻1

2 𝐻13

IONES Y ÁTOMOS ELÉCTRICAMENTE NEUTROS

Un elemento es eléctricamente neutro, esto significa que en su estructura tiene igual

cantidad de protones que de electrones, no obstante al variar el número de

electrones presentes en su estructura se convierte en un ion que:

a) Será denominado catión si su carga es positiva.

b) Será denominado anión si su carga es negativa.

Las presentaciones simbólicas para los iones también son posibles, las cargas

eléctricas se escriben en la posición indicada.

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La carga tendrá signo según la diferencia de electrones con relación a los protones.

Ejemplo:

Al ejemplo de la representación del hidrógeno de la página anterior podemos

propiciarle las siguientes variantes:

a) 𝐻11 −1

b) 𝐻12 0

c) 𝐻13 +1

¿Cuál es el número de partículas que está presente en cada especie de los incisos

a, b y c? y ¿Cuál es su número de masa?

RESPUESTA

PROTONES NEUTRONES ELECTRONES No. MASA

a) 1 0 2 1

b) 1 1 1 2

c) 1 2 0 3

Un catión tiene menor cantidad de electrones que de protones.

Un anión tiene mayor cantidad de electrones que de protones.

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Ejercicios:

1. Complete la siguiente tabla que presenta isótopos de algunos elementos.

𝑇ℎ90232 𝑀𝑜42

95 𝑈92235 𝐶𝑙17

37 −1 𝑀𝑔1224 +2

No. Protones

No. Neutrones

No. Electrones

No. Masa

2. Completar la siguiente tabla con los números y datos que hacen falta.

𝐹9

19 𝐹𝑒2656

No. Protones 26 99

No. Neutrones 20 31 153

No. Electrones 23 25 96

No. Masa 40 54 57

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C. MASA ATÓMICA Y MASA ATÓMICA PROMEDIO

i. MASA ATÓMICA

Se ha aceptado mediante acuerdo internacional que la masa atómica del isótopo de

carbono 12, que tiene 6 protones y 6 neutrones, presenta una masa exactamente

de 12 unidades de masa atómica (uma), - doce umas -. En tal sentido una uma

se define como la doceava parte de las masas del carbono 12.

ii. MASA ATÓMICA PROMEDIO

La masa atómica promedio que se reporta en la tabla periódica es el resultado de

sumar el producto de las masas de los isótopos por su respectivo porcentaje de

abundancia natural. También puede decirse que es el promedio de las masas de

sus isótopos en la proporción en que estos se hallan en la naturaleza.

Matemáticamente se expresa:

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)

100

O lo que es igual a:

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =𝑀1(%1)

100+

𝑀2(%2)

100+ ⋯ +

𝑀𝑛(%𝑛)

100

Donde:

M1: masa del primer isótopo %1: porcentaje de abundancia del primer isótopo M2: masa del segundo isótopo %2: porcentaje de abundancia del segundo isótopo Mn: masa del isótopo n existente %n: porcentaje de abundancia del isótopo n existente

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Recientemente la tabla periódica nos reporta la masa atómica del carbono como

12.011 uma, esto nos informa de la masa atómica promedio de los isótopos del

carbono en función de su porcentaje de existencia.

Ejemplo 1:

Si deseamos reportar la masa atómica promedio del carbono a partir de los isótopos

12 y 13 cuyos porcentajes relativos de abundancia son 98.89 % y 1.11 %

respectivamente.

SOLUCIÓN

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)

100

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =12 𝑢𝑚𝑎 (998.89) + 13 𝑢𝑚𝑎 (1.11)

100

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =1186.68 𝑢𝑚𝑎 + 14.43 𝑢𝑚𝑎

100

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =1201.11 𝑢𝑚𝑎

100

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 12.0111 𝑢𝑚𝑎

RESPUESTA

“La masa atómica promedio del carbono, a partir de los isótopos 12 y 13, es de

12.011 uma.”

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Ejemplo 2:

“Cálculo del porcentaje de abundancia a partir de la información de masa atómica

promedio y de la masa de los isótopos existentes”.

Asumiremos que existen dos isótopos estructurales del carbono, el de masas 12.00

y el de masa 13.00, si la masa atómica promedio es de 12.0111 uma, calcule el

porcentaje de abundancia de cada isótopo.

SOLUCIÓN

% 𝑎𝑏𝑢𝑛𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 12 = 𝑥

% 𝑎𝑏𝑢𝑛𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 13 = 100 − 𝑥 (Porque solo dos se indican)

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =𝑀1(%1) + 𝑀2(%2) + ⋯ + 𝑀𝑛(%𝑛)

100

12.0111 𝑢𝑚𝑎 =12.00 𝑢𝑚𝑎 (𝑥) + 13.00 𝑢𝑚𝑎 (100 − 𝑥)

100

12.0111 𝑢𝑚𝑎 =12.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥 + 1300.00 𝑢𝑚𝑎 − 13.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥

100

1201.11 𝑢𝑚𝑎 − 1300.00 𝑢𝑚𝑎 = 12.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥 − 13.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥

−98.89 𝑢𝑚𝑎 = −1.00 𝑢𝑚𝑎 𝑥

−98.89 𝑢𝑚𝑎

−1.00 𝑢𝑚𝑎= 𝑥

𝑥 = 98.89 %

Entonces:

𝑥 = 98.89 % (𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 12)

100 − 𝑥 = 1.11 % (𝑖𝑠ó𝑡𝑜𝑝𝑜 13)

RESPUESTA

El porcentaje de abundancia de cada isótopo del carbono, a partir de la masa

atómica promedio del carbono, es de 98.89 % para el isótopo 12 y 1.11% para el

isótopo 13.

IMPORTANTE: Las masas de los isótopos también pueden presentar decimales.

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EJERCICIOS:

A. Responda los siguientes planteamientos.

a. ¿Cómo se definen los siguientes términos?

i. Numero atómico

ii. Numero de masa

iii. Isótopos

iv. Unidad de masa atómica

v. Masa atómica promedio

b. ¿Cuáles son los postulados de la teoría de Niels Bohr?

c. Identifique la contribución a la ciencia que aportaron los siguientes

investigadores al conocimiento de la estructura del átomo (puede

investigar más ampliamente para mejor respuesta)

i. J.J. Thomson

ii. James Chadwick

iii. John Dalton

iv. Jean Perrin

v. Ernest Rutherford

d. ¿Por qué los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número

atómico, pero distinto número de masa?

e. ¿Cuál de los siguientes símbolos proporciona más información acerca

del mismo átomo? Explique.

i. 𝑁𝑎23

ii. 𝑁𝑎11

f. Las reacciones nucleares pueden permitir el cambio de un elemento

en otro. Cuando en una reacción cambia el número de protones en el

núcleo atómico se obtiene un átomo distinto: hay una transmutación.

El isótopo del Uranio 238 se desintegra emitiendo una partícula alfa

y transmutándose en otro elemento, en consecuencia el elemento

resultante tiene menos protones y neutrones que el uranio

desintegrado.

i. Investigue cual es la notación simbólica de la partícula alfa.

ii. Indique cual es el elemento resultante y escríbalo en forma

simbólica indicando el número de sus partículas subatómicas.

g. Investigue: ¿Qué es un isobaro?

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B. Resuelva los problemas planteados

1. Naturalmente existen dos isótopos de cloro, el de masa 36.9659 con un

porcentaje de abundancia de 24.47% y el de masa 34.9658 con un porcentaje

de abundancia de 75.53%, calcular la masa atómica promedio de dicho

elemento.

RESPUESTA: 35.46 uma

2. La plata natural existe en forma de dos isótopos estables: el de masa

106.9041 que existe en un 51.82% de abundancia y el 108.9047 con un

48.18% de abundancia. Calcule la masa atómica media de dicho elemento.

RESPUESTA: 107.90 uma

3. El magnesio en la naturaleza consta de tres isótopos: el primer isótopo tiene

masa 23.985 uma con un porcentaje de abundancia de 78.99, el segundo

isótopo tiene masa de 24.986 uma con un porcentaje de abundancia de 10.00

y el tercer isótopo tiene masa 25.983 uma con porcentaje de abundancia de

11.01. Calcule el valor de la masa atómica promedio del magnesio.

4. Un elemento X tiene dos isótopos, uno con porcentaje de abundancia de 60.4

con masa 68.9275 uma, la masa del otro isótopo es 70.9249 uma, calcule la

masa atómica promedio e identifique al elemento.

5. La masa atómica del cobre es de 63.55 uma. El primer isótopo tiene una

masa de 63.93 uma y el segundo 64.9278 uma. Calcule el porcentaje de

abundancia de cada isótopo.

FUENTE DEL MATERIAL: Obtenido directamente del folleto del Departamento de Química, EFPEM –

USAC 2000

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Bohr también se dedicó al estudio del núcleo atómico y propuso un modelo del

núcleo en forma de gota de agua que demostró ser muy conveniente para la

interpretación del fenómeno de la fisión del Uranio, y abrió el camino hacia el

aprovechamiento de la energía nuclear. Experimentalmente, Bohr comprobó que al

fisionarse un átomo de Uranio se liberaba una enorme cantidad de energía,

comprendió entonces que se hallaba ante una nueva fuente energética de

incalculables posibilidades de aprovechamiento.

Profundizó la teoría de la fisión, demostrando el papel fundamental que en dicho

proceso desempeñaba el isótopo del Uranio 235. Estos trabajos le permitieron

también prever la existencia de un nuevo elemento, que fue descubierto poco

después: el Plutonio.

Bohr se trasladó a EE. UU. en donde ocupó el cargo de consultor de laboratorio de

energía atómica en Los Álamos, en el cual científicos de todo el mundo aunaban

esfuerzos para producir la bomba atómica. Comprendiendo la gravedad de la

situación y los peligros que este artefacto podía acarrear a la humanidad, Bohr hizo

un llamado a Churchill y a Roosevelt, apelando a su responsabilidad de jefes de

estado para que ellos impidieran su fabricación.

Sus esfuerzos fueron vanos. En julio de 1,945 se detonaba la primera bomba

experimental en Alamogordo. En agosto de ese mismo año la bomba de Hiroshima

mataba a 66,000 personas y lesionaba a 69,000. Tres días más tarde, una segunda

bomba destruía Nagasaki. Una vez finalizada la guerra Bohr fue nombrado

Presidente de la Academia de Ciencias de Dinamarca. Convencido de las ventajas

que ofrecía la política de colaboración científica entre las naciones, promovió una

serie de congresos científicos organizados periódicamente en Europa y EE. UU. En

1,950 dirigió a las Naciones Unidas una carta abierta en defensa de la preservación

de la paz, considerada por él como condición indispensable para la libertad de

pensamiento y de investigación.

En 1,957 Bohr recibió el premio Átomos para la Paz. Muere en 1,962 a los 77 años

de edad.