Estructura del átomo

Características Generales del Átomo

Consta de tres partículas subatómicas: protones y neutrones ubicados en el núcleo, y electrones, situados en la nube electrónica. Los electrones poseen carga eléctrica negativa, los protones positiva y los neutrones no poseen carga alguna. Son eléctricamente neutros porque siempre poseen el mismo número de protones y electrones. Quien define el nombre del átomo de un elemento químico es el número de protones: número de protones = número atómico (Z).

Aproximadamente 10-10 m Núcleo

Protón (carga positiva)

Neutrón (sin carga)

Aproximadamente 10-14 m

X A

Z

X = símbolo del elemento

A = número de masa; A = Z + n Z = Número atómico = número de protones en el núcleo n = Número de neutrones en el núcleo

Símbolo nuclear del átomo

Representación de los átomos

Nombre Carga Masa (Símb.) Relativa Absoluta

Protón 1 + 1.6022 x 10-19 C 1.00727 uma (1.673 x 10-24 g) (p +) Neutrón 0 0 1.00866 uma (1.676 x 10-24 g) (n 0) Electrón 1 - -1.6022 x 10-19 C 0.00055 uma (9.109 x 10-28 g) (e -)

Propiedades de las partículas subatómicas

1 uma = 1 unidad de masa atómica

1 uma = 1 unidad de masa atómica

= 1.661 x 10-24 g

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Svante August Arrhenius 1859-1927

Propone entre 1884 y 1887 que las sales en agua se disocian en partículas cargadas e léc t r i camente ( iones pos i t i vos y negativos).

George Johnstone Stoney 1826-1911

En 1891 propone el nombre de electrón (e)para la unidad fundamental de carga que poseen los iones en solución.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

El flujo luminoso se origina a presiones de entre 0.01 a 0.001 mm Hg (medio millón de veces menor a la existente en la ciudad de México) cuando se aplican voltajes muy elevados. Bajo estas condiciones, se producen los rayos catódicos.

Tubo de descarga

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Los campos eléctricos y magnéticos desvían su

trayectoria

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Joseph John Thompson 1856-1940

Aunque los define inicialmente como corpúsculos, es quien indica que los rayos catódicos están constituidos por lo que poster iormente se def in ir ían como electrones. Los estudios cuantitativos de su naturaleza los desarrolló en 1897.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson

En ausencia de un campo magnético o eléctrico, los electrones inciden en el punto b.

b a

c

+

N

S

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson

Si se aplica un campo eléctrico con el arreglo mostrado en la figura, el haz de rayos catódicos es desviado hacia arriba y hace contacto con la pantalla fluorescente en el punto a.

b a

c

+

N

S

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

b a

c

+

Si ahora se aplica un campo magnético orientado como se indica, el haz de rayos catódicos es desviado hacia abajo y colide con la pantalla fluorescente en el punto c.

N

S

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

En su trayectoria circular, la aceleración centrípeta a de un electrón viajando en el haz de rayos catódicos está dada por

a = v2

r

donde v = velocidad inicial con la cual el electrón se desprende del cátodo. r = radio de la curvatura que describe el electrón al ser desviada su trayectoria por efecto del campo eléctrico o del magnético.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

La fuerza del campo magnético Fm aplicado está dada por

Fm = Bve

donde v = velocidad inicial con la cual el electrón se desprende del cátodo. B = intensidad del campo magnético aplicado. e = intensidad de la carga eléctrica del electrón.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

La segunda Ley de Newton se expresa así:

F = ma

donde F = fuerza resultante. m = masa del cuerpo sobre el cual se ejerce la fuerza. a = aceleración del cuerpo sobre el que se ejerce la fuerza.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

F = ma

Bve = Fm

a = v2

r

F = m v2

r Bve = m v2

r

Be = m v

r

v

Br e

m =

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

Por otra parte, la fuerza ejercida por el campo eléctrico está dada por

Fe = Ee

donde E = intensidad del campo eléctrico aplicado. e = intensidad de la carga eléctrica del electrón.

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

b

+

Si se aplica un campo eléctrico cuya fuerza iguale a la de un campo magnético simultáneamente aplicado, el haz de rayos catódicos debe entonces incidir en el punto b. Bajo estas circunstancias, Fe = Fm.

N

S

Fe = Ee

Fm = Bve

Descubrimiento del electrón: rayos catódicos

Experimento de Thompson: la relación e/m

Ee = Bve

Esta expresión es válida sólo cuando al aplicar ambos campos el haz de rayos catódicos incide sobre el punto b.

v E

B = v

Br e

m = E

B2r e

m =

v E

B =

Determinación de la carga del electrón

Robert Andrews Millikan 1868-1954

Entre 1909 y 1913 desarrolló la serie de experimentos en la Universidad de Chicago repetitivos con los cuales pudo obtener el valor absoluto de la carga del electrón. Sus resultados fueron publicados en la prestigiosa revista Physical Review.

Diseño del experimento

Determinación de la carga del electrón

La fuerza del campo eléctrico aplicado al que está sometida cada gota de aceite está dada por Fe = Ee. El peso de cada gota está dado por wt = mg.

Determinación de la carga del electrón

Cuando la gota queda levitando

Fe = wt

Ee = mg

Dado que E, m y g son variables que se conocen experimentalmente, puede determinarse el valor de e. TODOS LOS VALORES DE CARGA RESULTARON SER MÚLTIPOS DE UNA UNIDAD FIUNDAMENTAL (LA CARGA DEL ELECTRÓN).

e = 1.6022 x 10-19 C

Descubrimiento del núcleo

Experimento de Geiger y Mardsen

Johannes Wilhelm Geiger 1882-1945

Ernest Marsden 1889-1970

Ernest Rutherford 1871-1937

Descubrimiento del núcleo

Experimento de Geiger y Mardsen

Núcleo de He = partícula α

Descubrimiento del núcleo

Experimento de Geiger y Mardsen

Fuente de partículas α

Pantalla detectora

Hoja de oro de 4 x 10-7 m de espesor

Modelo del átomo de Rutherford

Núcleo con carga positiva en el centro del átomo rodeado de electrones que se

mueven a su alrededor

Descubrimiento del protón

Eugen Goldstein 1850-1930

En 1886 descubrió que en el tubo de rayos catódicos, mientras éstos se generaban, aparecía también un haz de partículas cargadas positivamente, los rayos canales, las cuales están formados por iones con carga positiva (X+) generados a partir de la ionización de los átomos gaseosos (X) que hay en el tubo. Es la primera evidencia de partículas cargadas positivamente, y al igual que el electrón, demostraron que su carga es múltiplo de un valor fundamental, el cual es idéntico al valor de e pero de signo opuesto.

Descubrimiento del protón

Rutherford es quien, sin embargo, al bombardear nitrógeno gaseoso con partículas α, identifica núcleos de hidrógeno. Rutherford dedujo que la única fuente de tales protones sería el núcleo del los átomos de nitrógeno, y que por lo tanto éste estaba constituido por estas partículas.

Descubrimiento del neutrón

James Chadwick 1891-1974

En 1932 bombardea una delgada lámina de berilio con rayos α y advierte que el metal empieza a emitir una radiación de energía comparable a la de los rayos γ. Estudios poster iores encontraron que dicha radiación en realidad está conformada de partículas subatómicas con masa sin carga.

Átomos del mismo elemento con diferente número de protones. Sólo 4Be, 9F, 11Na, 13Al, 15P, 21Sc, 25Mn, 27Co, 33As, 39Y, 41Nb, 45Rh, 53I, 55Cs, 59Pr, 65Tb, 67Ho, 69Tm y 79Au presentan una composición monoisotópica no radiactiva.

Cada isótopo posee una diferente masa (masa isotópica); éstos valores, definidos como tales, NO SE INCLUYEN EN NINGUNA TABLA PERIODICA.

Los isótopos que constituyen un elemento no participan en la misma proporción, y al porcentaje con el cual lo hacen se se le denomina abundancia relativa.

Isótopos

electrón

protón neutrón

6Li 7Li

Plata

Isótopo A Z p+ e- no masa isotópica abundancia

107Ag 107 49 49 49 58 106.905 uma 51.84 % 109Ag 109 49 49 49 60 108.905 uma 48.16 %

Magnesio Isótopo A Z p+ e- no masa isotópica abundancia

24Mg 24 12 12 12 12 23.985 uma 78.99 % 25Mg 25 12 12 12 13 24.986 uma 10.00 % 26Mg 26 12 12 12 13 25.983 uma 11.01 %

Cloro Isótopo A Z p+ e- no masa isotópica abundancia

35Cl 35 17 17 17 18 34.969 uma 75.80 % 37Cl 35 17 17 17 20 36.966 uma 24.20 %

Datos de la tabla de composición isotópica

Peso ponderal promedio de un átomo. Toma en cuenta solamente la masa de cada isótopo no radiactivo de un elemento y su abundancia relativa.

Estable Estable Radiactivo

Peso o masa atómica (M)

Plata Ca´lculo de la masa atómica

Isótopo A Z p+ e- no masa isotópica abundancia

24Mg 24 12 12 12 12 23.985 uma 78.99 % 25Mg 25 12 12 12 13 24.986 uma 10.00 % 26Mg 26 12 12 12 13 25.983 uma 11.01 %

23.985 uma x 0.7899 24.986 uma x 0.1000 25.983 uma x 0.1101

+

24.305 uma

Calibración de las masas isotópicas

Masa isotópica del 12C = 12.000000 uma

A M

NO REVOLVER

NÚMERO DE MASA MASA ATÓMICA (entero) (con cifras decimales)

Unión de dos o más átomos m e d i a n t e e n l a c e s c u y a naturaleza es esencialmente es covalente (cada unión está c o n f o r m a d a p o r d o s e lect rones) . Puede estar constituida por átomos del m i s m o e l e m e n t o o d e elementos diferentes.

Molécula

Es el resultado de sumar los pesos atómicos de todos los átomos que conforman la unidad formular de una sustancia. Se le llama peso molecular si se habla de una sustancia constituida por moléculas: Se le puede llamar también peso fórmula; este término sin embargo es el ínco apropiado para las sustancias no moleculares, como los sólidos iónicos y ciertos materiales cerámicos:

Peso molar

M(CH3CO2H) = 2 MC + 4 MH + 2 MO) = 2·(12.011 uma) + 4·(1.00794 uma) + 2·(15.9994 uma) = 60.053 uma

M(NaCl) = MNa + MCl = 22.989768 uma + 35.4527 uma = 58.4425 uma