ÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ELEMENTOSÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ELEMENTOSÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ELEMENTOSÁTOMOS, MOLÉCULAS Y ELEMENTOS

Basado en el trabajo del Prof. Víctor BatistaBasado en el trabajo del Prof. Víctor Batista

Universidad de YaleUniversidad de Yale

Basado en el trabajo del Prof. Víctor BatistaBasado en el trabajo del Prof. Víctor Batista

Universidad de YaleUniversidad de Yale

Átomos y elementos:Átomos y elementos:La naturaleza de la materiaLa naturaleza de la materia

Átomos y elementos:Átomos y elementos:La naturaleza de la materiaLa naturaleza de la materia

La química se ocupa de la La química se ocupa de la naturaleza de la materianaturaleza de la materia y cómo y cómo ésta se relaciona con los átomos que la constituyenésta se relaciona con los átomos que la constituyen

OroOro MercurioMercurio

“Es más fácil romper un átomo que un prejuicio” A. Einstein

El compuesto rojo está El compuesto rojo está formado por:formado por:

• • Níquel (Ni) Níquel (Ni) • • Carbono (C) Carbono (C) • Hidrógeno (H) • Hidrógeno (H) • • Oxígeno (O) Oxígeno (O) • • Nitrógeno (N)Nitrógeno (N)

El compuesto rojo está El compuesto rojo está formado por:formado por:

• • Níquel (Ni) Níquel (Ni) • • Carbono (C) Carbono (C) • Hidrógeno (H) • Hidrógeno (H) • • Oxígeno (O) Oxígeno (O) • • Nitrógeno (N)Nitrógeno (N)

LosLos compuestos químicos compuestos químicos están integrados por átomos y por lo están integrados por átomos y por lo tanto pueden ser tanto pueden ser descompuestosdescompuestos en en esos átomosesos átomos

Una Una MOLÉCULAMOLÉCULA es la menor porción de un es la menor porción de un compuesto que conserva las propiedades químicas compuesto que conserva las propiedades químicas

de dicho compuestode dicho compuesto

La composición de una molécula viene dada por suLa composición de una molécula viene dada por su FÓRMULA MOLECULARFÓRMULA MOLECULARHH22OO CC88HH1010NN44OO22 - cafeína - cafeína

ESTADOS DE LA ESTADOS DE LA MATERIAMATERIA

ESTADOS DE LA ESTADOS DE LA MATERIAMATERIA

• SÓLIDOSSÓLIDOS — Tienen volumen y forma — Tienen volumen y forma definidos. La forma externa manifiesta el definidos. La forma externa manifiesta el orden en el nivel atómico y/o molecular.orden en el nivel atómico y/o molecular.– Razonablemente comprendidos.Razonablemente comprendidos.

• LÍQUIDOSLÍQUIDOS — No tienen una forma definida — No tienen una forma definida sino la del recipiente que los contiene.sino la del recipiente que los contiene.– Aún poco comprendidos.Aún poco comprendidos.

• GASESGASES — Adoptan la forma y el volumen — Adoptan la forma y el volumen del recipiente que los contiene. del recipiente que los contiene. – Buena comprensión teórica de sus Buena comprensión teórica de sus

propiedades.propiedades.

Teoría cinética de la Teoría cinética de la materiamateria

Teoría cinética de la Teoría cinética de la materiamateria

La materia consiste en átomos y La materia consiste en átomos y moléculas en movimiento.moléculas en movimiento.

Átomos de Átomos de cobre cobre depositados depositados sobre una sobre una superficie de superficie de silicio.silicio.

((Imagen Imagen obtenida con un obtenida con un microscopio de microscopio de efecto túnel)efecto túnel)

• Un Un átomoátomo es la menor porción de un es la menor porción de un elemento que conserva las propiedades elemento que conserva las propiedades químicas del mismoquímicas del mismo

Lado = 1.8 nanómetros (1.8 x 10-9 m)

Estructura atómicaEstructura atómica• ProtonesProtones

– carga eléctrica positiva (1.60 x 10carga eléctrica positiva (1.60 x 10-19-19 C) C)

– masa = 1.672 x 10masa = 1.672 x 10-27-27 Kg Kg

– masa relativa = 1.007 umamasa relativa = 1.007 uma

• ElectronesElectrones– carga eléctrica negativa (1.60 x 10carga eléctrica negativa (1.60 x 10-19-19 C) C)

– masa = 9.11 x 10masa = 9.11 x 10-31-31 Kg Kg

– masa relativa = 0.0005 umamasa relativa = 0.0005 uma

• NeutronesNeutrones– sin carga eléctricasin carga eléctrica

– masa = 1.674 x 10masa = 1.674 x 10-27-27 Kg Kg

– masa relativa = 1.009 umamasa relativa = 1.009 uma

Un átomo consiste en: Un átomo consiste en:

• Un núcleo: Un núcleo: integrado por integrado por protonesprotones y y neutronesneutrones • Una periferiaUna periferia (rodea al núcleo) (rodea al núcleo) : : integrada porintegrada por electrones electrones

El El ÁtomoÁtomo

Nube de electronesNube de electronesperiféricosperiféricos

Núcleo centralNúcleo central

Átomos y elementosÁtomos y elementos

RadiactividadRadiactividad• Las primeras evidencias de que los Las primeras evidencias de que los

átomos poseen una estructura fueron átomos poseen una estructura fueron

aportadas por aportadas por BecquerelBecquerel y el y el

matrimonio matrimonio CurieCurie• Ellos descubrieron y estudiaron el Ellos descubrieron y estudiaron el

fenómeno de la fenómeno de la radiactividadradiactividad, la , la desintegración espontánea de algunos desintegración espontánea de algunos elementos en partículas más pequeñaselementos en partículas más pequeñas

•Protones y neutrones en el núcleo.Protones y neutrones en el núcleo.

•Un número de electrones (igual al de protones) en la Un número de electrones (igual al de protones) en la periferia.periferia.

•Los átomos son extremadamente pequeños: una Los átomos son extremadamente pequeños: una cucharadita de agua contiene tres veces más átomos cucharadita de agua contiene tres veces más átomos que cucharaditas de agua contiene el océano que cucharaditas de agua contiene el océano AtlánticoAtlántico..

El El átomoátomo es esencialmente es esencialmente vacíovacío

Esta moderna visión del átomo comenzó con Esta moderna visión del átomo comenzó con

Ernest RutherfordErnest Rutherford (1871-1937).(1871-1937).

Número atómico, ZNúmero atómico, ZTodos los átomos de un mismo Todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo, de protones en el núcleo, ZZ

1313

AlAl

26.98126.981

Número atómicoNúmero atómico

Símbolo químicoSímbolo químico

Masa atómica relativaMasa atómica relativa

Masa atómica Masa atómica relativarelativa

• Nos dice cuál es la masa de un átomo de un Nos dice cuál es la masa de un átomo de un elemento con respecto a la de un átomo de elemento con respecto a la de un átomo de otro elemento. otro elemento.

• O la de 1000 átomos de uno con respecto a O la de 1000 átomos de uno con respecto a 1000 átomos de otro.1000 átomos de otro.

• Por ejemplo, un átomo de O es Por ejemplo, un átomo de O es aproximadamente 16 veces más “pesado” aproximadamente 16 veces más “pesado” que un átomo de H.que un átomo de H.

• Por lo tanto debemos definir un elemento Por lo tanto debemos definir un elemento estándar que nos permita establecer las estándar que nos permita establecer las relaciones entre todos los elementosrelaciones entre todos los elementos

• Ese elemento estándar es el carbonoEse elemento estándar es el carbono

Número másico, ANúmero másico, A• El átomo de C que contiene 6 protones y 6 El átomo de C que contiene 6 protones y 6

neutrones en el núcleo es el elegido como neutrones en el núcleo es el elegido como estándar = 12 unidades de masa atómica (uma)estándar = 12 unidades de masa atómica (uma)

• Número másicoNúmero másico (A) (A) = # protones + # neutrones= # protones + # neutrones

• Para un átomo de boro: Para un átomo de boro:

A = 5 p + 5 n = 10A = 5 p + 5 n = 10

A

Z

10

5B

A

Z

10

5B

IsótoposIsótopos

• Átomos del mismo elemento (el mismo Z) Átomos del mismo elemento (el mismo Z) pero diferente número másico (A).pero diferente número másico (A).

• Boro-10 (Boro-10 (1010B) tiene 5 p y 5 nB) tiene 5 p y 5 n

• Boro-11 (Boro-11 (1111B) tiene 5 p y 6 nB) tiene 5 p y 6 n

10B

11B

Usos de Usos de isótopos isótopos radiactivradiactiv

ososEstudio óseo Estudio óseo mediante mediante tecnecio-99 tecnecio-99 metaestable. metaestable.

Masas IsotópicasMasas Isotópicasdeterminadas mediante el espectrógrafo de determinadas mediante el espectrógrafo de

masasmasas

IsótopoIsótopos del s del boroboro• Debido a la existencia de isótopos, la masa de Debido a la existencia de isótopos, la masa de

los átomos de una muestra de un elemento los átomos de una muestra de un elemento tiene un valor promedio.tiene un valor promedio.

• Ese promedio constituye su Ese promedio constituye su MASA ATÓMICAMASA ATÓMICA

• El boro es en un 20% El boro es en un 20% 1010B y en un 80% B y en un 80% 1111B. B. Estas son las “abundancias relativas” del B Estas son las “abundancias relativas” del B en la Tierra. en la Tierra.

• La masa atómica del boro sería*:La masa atómica del boro sería*: 0.20 (10 uma) + 0.80 (11 uma) = 10.8 uma0.20 (10 uma) + 0.80 (11 uma) = 10.8 uma

10B

11B

Otros ejemplosOtros ejemplos

• Para el litio: Para el litio: 66Li = 7.5%, Li = 7.5%, 77Li = 92.5%Li = 92.5%

–Masa atómica del Li = ______________Masa atómica del Li = ______________

• Para el silicio Para el silicio 2828Si = 92.23%, Si = 92.23%, 2929Si = 4.67%, Si = 4.67%, 3030Si = 3.10%Si = 3.10%

–Masa atómica del Si = ______________Masa atómica del Si = ______________

Nota:Nota:

Dado que la formación de un núcleo atómico dado viene Dado que la formación de un núcleo atómico dado viene acompañada por una pérdida de masa característica, los cálculos realizados acompañada por una pérdida de masa característica, los cálculos realizados más arriba no arrojan sino un valor aproximado para la masa atómica de los más arriba no arrojan sino un valor aproximado para la masa atómica de los elementos. Puedes verificarlo comparando el resultado obtenido con el que elementos. Puedes verificarlo comparando el resultado obtenido con el que aparece en la Tabla Periódica.aparece en la Tabla Periódica.

Contando átomosContando átomos

El Mg reacciona con el OEl Mg reacciona con el O22 del aire produciendo del aire produciendo óxido de magnesio, MgO. óxido de magnesio, MgO.

¿Cómo averiguar qué masa ¿Cómo averiguar qué masa de óxido se obtiene a partir de óxido se obtiene a partir de cierta masa de Mg?de cierta masa de Mg?

Contando átomosContando átomos

La Química es una ciencia La Química es una ciencia cuantitativa; necesitamos cuantitativa; necesitamos entonces una “unidad de entonces una “unidad de cantidad”cantidad”

1 mol es la cantidad de 1 mol es la cantidad de sustancia que contiene sustancia que contiene tantas partículas (átomos, tantas partículas (átomos, moléculas) como átomos moléculas) como átomos de C hay en 12.0 g de de C hay en 12.0 g de 1212C.C.

1 mol es la cantidad de 1 mol es la cantidad de sustancia que contiene sustancia que contiene tantas partículas (átomos, tantas partículas (átomos, moléculas) como átomos moléculas) como átomos de C hay en 12.0 g de de C hay en 12.0 g de 1212C.C.

ElEl MOL MOL

Partículas en un MolPartículas en un Mol

6.02214199 x 106.02214199 x 102323

Número de AvogadroNúmero de Avogadro

Hay un número de Avogadro de partículas en un mol de cualquier sustancia.

Hay un número de Avogadro de partículas en un mol de cualquier sustancia.

Amadeo AvogadroAmadeo Avogadro1776-18561776-1856

Masa molarMasa molar1 mol de 1 mol de 1212CC

= 12.00 g de C= 12.00 g de C

= 6.022 x 10= 6.022 x 102323 átomos de C átomos de C

12.00 g/mol es la 12.00 g/mol es la MASA MASA

MOLAR MOLAR deldel 1212CC

Teniendo en cuenta todos Teniendo en cuenta todos

los isótopos del C, la masa los isótopos del C, la masa

molar del molar del elementoelemento C es C es

12.011 g/mol12.011 g/mol

Un mol de …Un mol de …

PROBLEMA: ¿Qué cantidad de PROBLEMA: ¿Qué cantidad de Mg corresponde a 0.200 g? Mg corresponde a 0.200 g? ¿Cuántos átomos?¿Cuántos átomos?

PROBLEMA: ¿Qué cantidad de PROBLEMA: ¿Qué cantidad de Mg corresponde a 0.200 g? Mg corresponde a 0.200 g? ¿Cuántos átomos?¿Cuántos átomos?

El Mg tiene una masa molar de 24.3050 g/mol.

0.200 g • 1 mol

24.31 g = 8.23 x 10-3 mol

mol 1átomos 10 x 6.022

• mol 10 x 23.823

3-

= 4.95 x 10= 4.95 x 102121 átomos de Mg átomos de Mg

¿Cuántos átomos contiene la muestra de Mg?

Tabla PeriódicaTabla Periódica• Dimitri Mendeleiev desarrolló la Dimitri Mendeleiev desarrolló la

moderna Tabla Periódica de los moderna Tabla Periódica de los elementos. Afirmaba que las elementos. Afirmaba que las propiedades de los elementos propiedades de los elementos eran función periódica de sus eran función periódica de sus “pesos atómicos”.“pesos atómicos”.

• Hoy sabemos que las propiedades Hoy sabemos que las propiedades de los elementos son función de los elementos son función periódica de sus periódica de sus NÚMEROS NÚMEROS ATÓMICOSATÓMICOS

PeríodosPeríodos en la Tabla en la Tabla PeriódicaPeriódica

Regiones de la Tabla Regiones de la Tabla PeriódicaPeriódica

http://www.webelements.com/webelements/elements/text/Si/geol.html

Abundancia de los Abundancia de los elementoselementos

FeC AlO Si

HidrógenoHidrógenoHidrógenoHidrógeno

Los motores del transbordador Los motores del transbordador orbital utilizan Horbital utilizan H22 and O and O22 ¿Qué causó el incendio del ¿Qué causó el incendio del

dirigible Hindenburg mientras dirigible Hindenburg mientras aterrizaba en New Jersey en aterrizaba en New Jersey en mayo de 1939?mayo de 1939?

Grupo 1A: Metales Grupo 1A: Metales alcalinosalcalinos

Grupo 1A: Metales Grupo 1A: Metales alcalinosalcalinos

Cortando sodio metálicoCortando sodio metálico

Reacción: K + H2O

Sólidos a temperatura ambiente; reaccionan con el agua

¿Cuáles son las características de los metales ?

MagnesioMagnesio

Óxido de Óxido de magnesiomagnesio

Groupo 2A: Metales alcalinotérreosGroupo 2A: Metales alcalinotérreos

Sólo se los encuentra combinados; excepto el Be, reaccionan con el agua. Mg y Ca son los más abundantes

Carbonato de calcio - CalcitaCarbonato de calcio - Calcita

La “Via apia”, ItaliaLa “Via apia”, Italia Champagne en una cueva Champagne en una cueva excavada en tiza, Franciaexcavada en tiza, Francia

Grupo 3A: Grupo 3A: B,B, Al, Ga, In, Al, Ga, In, TlTl

Grupo 3A: Grupo 3A: B,B, Al, Ga, In, Al, Ga, In, TlTl

El aluminio es el metal El aluminio es el metal más abundante en la más abundante en la corteza terrestrecorteza terrestre

Haluros de boroHaluros de boro BF BF33 y BI y BI33

Gemas y mineralesGemas y minerales

• Safiro:Safiro: Al Al22OO33 con con impurezas de Feimpurezas de Fe3+3+ o o TiTi3+3+ adquiere color adquiere color azulazul. Si contiene V. Si contiene V3+3+ se vuelve se vuelve violetavioleta..

• Rubí:Rubí: Al Al22OO33 con Cr con Cr3+3+ como impurezacomo impureza

¿Qué determina los colores de la piedras preciosas ?

Los colores de los metales Los colores de los metales de transiciónde transición

Iron Cobalt Nickel Copper Zinc

Densidad relativa de los ElementosDensidad relativa de los Elementos

Elementos de Elementos de transicióntransición

Elementos de Elementos de transicióntransición

Lantánidos y actínidosLantánidos y actínidos

El hierro expuesto al aire El hierro expuesto al aire forma Óxido de hierro (III)forma Óxido de hierro (III)

Son todos metales, Ag, Au y Pt son poco reactivosIntervienen en materiales estructurales, pinturas, convertidores catalíticos, bateríasCumplen importantes funciones biológicas (el Fe, por ejemplo).

Glenn Glenn SeaborgSeaborg

(1912-1999)(1912-1999)• Sintetizó 8 nuevos Sintetizó 8 nuevos

elementos.elementos.

• Fue la única Fue la única persona cuyo persona cuyo nombre se utilizó -nombre se utilizó -en vida- para en vida- para denominar un denominar un elemento.elemento.

¿Qué es un sincrotón?¿Qué es un sincrotón?

¿Cómo funciona?¿Cómo funciona?

Grupo 4A: Grupo 4A: CC, , Si, GeSi, Ge, , Sn, Sn, PbPb

Grupo 4A: Grupo 4A: CC, , Si, GeSi, Ge, , Sn, Sn, PbPb

Cuarzo, SiOCuarzo, SiO22

DiamanteDiamante

GrafitoGrafito

DiamanteDiamante

““Buckybolas”Buckybolas”

Alótropos:Alótropos: distintas formas cristalinas que puede distintas formas cristalinas que puede adoptar un elementoadoptar un elemento

C60:buckminsterfullereno

Grupo 5A: N, P, Grupo 5A: N, P, As, SbAs, Sb, , BiBiGrupo 5A: N, P, Grupo 5A: N, P, As, SbAs, Sb, , BiBi

Fósforo rojo, Fósforo rojo, fósforo blancofósforo blanco

Amoníaco, NHAmoníaco, NH33

¿Cómo logra la naturaleza romper el N2 atmosférico y transformarlo en compuestos como la clorofila, las proteínas, el ADN … ?

P P (Fósforo)(Fósforo)• El fósforo es esencial para

la vida. Constituyente de los huesos y los dientes, fue aislado por Brandt -de la orina- en 1669.

• Ambos -P rojo y P blanco- arden espontáneamente en el aire para producir P4O10. Éste se transforma luego en H3PO4

Grupo 6A: O, S, Se, Grupo 6A: O, S, Se, TeTe, , PoPo

Grupo 6A: O, S, Se, Grupo 6A: O, S, Se, TeTe, , PoPo

Solución de sulfatos Solución de sulfatos goteando de una goteando de una estalactita, Méxicoestalactita, México

Azufre volcánicoAzufre volcánico

¿Qué alótropos del oxígeno conoces?¿Cuál es el uso más extendido del ácido sulfúrico ?

Grupo Grupo 7A:7A:halóhalógenosgenos F, Cl, Br, I, AtF, Cl, Br, I, At

Grupo Grupo 7A:7A:halóhalógenosgenos F, Cl, Br, I, AtF, Cl, Br, I, At

sal

Grupo 8A: Grupo 8A: He, Ne, Ar, Kr, Xe, RnHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

Grupo 8A: Grupo 8A: He, Ne, Ar, Kr, Xe, RnHe, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

• Menos densos que el aire

• Luces de “Neon”

XeOFXeOF44XeOFXeOF44

Gases a temperatura ambiente Hasta 1962 eran considerados químicamente inertes

Sumario

HistoriaPartículas subatómicasIsótopos, N° atómico (Z), N° másico (A), masa atómicaMasa molar, número de AvogadroTabla Periódica.

TRADUCCIÓN Y ADECUACIÓNTRADUCCIÓN Y ADECUACIÓNTRADUCCIÓN Y ADECUACIÓNTRADUCCIÓN Y ADECUACIÓN