Ciencia de los MaterialesEstructura Atomica

Cmo est formada la materia en su interior?O Desde los tiempos de la antigua Grecia ,los

pensadores venan hacindose esta pregunta, acerca de cmo estaba constituida la materia en su interior. O Demcrito introduce el trmino de tomo como la parte mas pequea de la materia. TOMO sin divisin

Evolucin en el estudio de la materia.TEORA ATMICA DE DALTON: Trataba de explicar las leyes de la poca sobre la composicin de las sustancias (leyes ponderales). O La materia est constituida por unidades de pequeo tamao denominadas tomos. O Todos los tomos de un elemento son iguales en masa y propiedades. O Los tomos de diferentes elementos son diferentes en masa y propiedades.

AVANCES EN EL ESTUDIO DE LA MATERIAO En la ltima dcada del siglo XIX y

comienzos del XX se precipitaron una serie de descubrimientos que dejaron en evidencia la teora de la indivisibilidad atmica. O Estos descubrimientos dieron lugar a los diferentes modelos atmicos.

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRONMODELO DE THOMSON (1897).O Al someter a un gas a baja presin a un voltaje elevado, este

emita unas radiaciones que se conocieron como rayos catdicos. O Se observ que los rayos catdicos eran partculas negativas (se desviaban hacia el polo positivo de un campo elctrico) con gran energa cintica. O La relacin carga/masa de los rayos catdicos es la misma independientemente del gas del que proceda. O Se supuso que estas partculas deberan estar en todos los tomos. Thomson las llam electrones.

MODELO DE THOMSONO En base a su experiencia desarrolla

su modelo del tomo de la siguiente forma:O El tomo posee partculas negativas

llamada electrones.

O Intua ,dada la neutralidad de la

materia, la existencia de carga positiva en el tomo. O Por tanto, anuncia que el tomo es UNA ESFERA MACIZA CARGADA POSITIVAMENTE Y EN SU INTERIOR SE DISTRIBUYEN LOS ELECTRONES O Smil: sanda (Pepitas=electrones. Fruto: tomo cargado positivamente)

DESCUBRIMIENTO DEL PROTON (1914)O Utilizando ctodos perforados, en tubos de descarga

adems de los rayos catdicos, Goldstein descubri unos rayos positivos procedentes del nodo que llam rayos andicos o canales. O La relacin carga/masa de los rayos canales no es la misma sino que depende del gas del que proceda. En cualquier caso, la masa era muy superior a la de los electrones. O Se llam protn a la partcula positiva procedente del gas ms ligero (el hidrgeno), cuya carga coincida exactamente con la del electrn. O Las cargas de otros rayos canales eran mltiplos de la del protn, por lo que supuso que deberan ser partculas con varios protones unidos.

DESCUBRIMIENTO PROTNO En 1886, el fsico alemn Eugen Goldstein,

empleando un tubo catdico con un ctodo perforado, descubri una nueva radiacin, que flua por los orificios del ctodo en direccin opuesta a la de los rayos catdicos. O Se le denomin "rayos canales". O Puesto que los rayos canales se mueven en direccin opuesta a los rayos catdicos de carga negativa , sta era de naturaleza positiva.

MODELO DE RUTHERFORD. REVOLUCION EN LA CONCEPCIN ATMICA DE LA MATERIA.O La experiencia de Ernest Rutherford , y

posteriormente la presentacin de su modelo ,invalida en gran parte el modelo anterior y supone una revolucin en el conocimiento intimo de la materia.

Modelo de RUTHERFORD.O Rutherford bombarde una

fina lmina de oro con partculas alfa (ncleos de Helio, provenientes de la desintegracin del Polonio) O Observ que la mayor parte de las partculas que atravesaban la lmina seguan una lnea recta o se desviaban un ngulo muy pequeo de la direccin inicial. O Solamente, muy pocas partculas se desviaban grandes ngulos, lo que contradeca el modelo atmico propuesto por Thomson. O Rutherford supuso que dichas desviaciones provenan de una nica interaccin entre la partcula proyectil y el tomo.

MODELO DE RUTHERFORDO Rutherford concluy que

el hecho de que la mayora de las partculas atravesaran la hoja metlica, indica que gran parte del tomo est vaco

O El rebote de las partculas

indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del tomo y a la vez muy densa de la masa.

Podemos mencionar que el modelo de Rutherford ofreca las siguientes afirmaciones:O El tomo esta constituido por una parte central a la que se

MODELO DE RUTHERFORD.le llama ncleo y la que se encuentra concentrada casi toda la masa del ncleo y toda la carga positiva.

O En la parte externa del tomo se encuentra toda la carga

negativa y cuya masa es muy pequea en comparacin con el resto del tomo, esta est formada por los electrones que contenga el tomo. en orbitas circulares.

O Los electrones giran a gran velocidad en torno al ncleo,O El tamao del ncleo es muy pequeo en comparacin con

el del tomo, aproximadamente 10000 veces menor.

DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRON (1932)O Rutheford observ que la suma de las masas de los

protones y la de los electrones de un determinado tomo no coincida con la masa atmica por lo que postulo la existencia de otra partcula que O Careciera de carga elctrica. O Poseyera una masa similar a la del protn. O Estuviera situada en el ncleo.O En las primeras reacciones nucleares Chadwick

detect esta partcula y la denomin neutrn.

MODELO EN BASE A LA EXPERIENCIA.

INVALIDACION DEL MODELO DE THOMSON EN BASE A LA EXPERIENCIA DE RUTHERFORD.

MODELO DE BOHR.O Niels Bohr(1885-1962) propuso un nuevo

modelo atmico , a partir de los descubrimientos sobre la naturaleza de la luz y la energa. O Los electrones giran en torno al ncleo en niveles energticos bien definidos. O Cada nivel puede contener un nmero mximo de electrones. O Es un modelo precursor del actual.

Modelo actual.CORTEZA TOMO NCLEO electrones. protones. neutrones.

-Los electrones no describen orbitas definidas ,sino que se distribuyen en una determinada zona llamada ORBITAL. -En esta regin la probabilidad de encontrar al electrn es muy alta (95%)

-Se distribuyen en diferentes niveles energticos en las diferentes capas.

GENERALIDADES DEL ATOMOCarga (C) Protn Neutrn 1,6021 x 10-19 0 Masa (kg) 1,6725 x 10-27 1,6748 x 10-27

Electrn 1,6021 x 10-19 9,1091 x 10-31

MODELO DE BOHRO Los electrones giran alrededor del ncleo

nicamente en rbitas permitidas (radios cuantizados).

O Cada lnea espectral se correspondera con un

salto de una rbita a otra para lo cual precisa una cantidad exacta de energa que se corresponde con una determinada frecuencia.

O La energa absorbida por un electrn al pasar a un

nivel superior (tomo excitado) es la misma que emite cuando vuelve a su orbital.

NcleoO Ncleo:O Es la regin central muy pequea de un tomo donde se

concentra su masa.

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Electrones de valenciaElectrones internos: poca influencia en reacciones qumicas

Electrones de valencia: responsables de las propiedades qumicas24

NMERO ATMICO Y NMERO MSICOO Nmero atmico (Z): es el nmero de protones que

tiene un tomo. Es distinto para cada elemento. O Istopos: son tomos del mismo elemento que difieren en el n de neutrones (N). O Nmero msico (A): es la suma de las masas de protones y neutrones de un ncleo. 17 Z A

Smbolo. Ejemplo:

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Cl

O Tanto el peso atmico de un elemento como

el peso molecular de un compuesto se pueden expresar, bien en umas (Unidad de masa atmica) por tomo o molcula, o en masa por mol de materia.O En el SI la unidad de medida es el mol. Se

determina experimentalmente que en un mol hay 6,023x1023 tomos o moleculas. NUMERO DE AVOGADRO.O 1 uma/(tomo o molcula) = 1 g/mol

APLICACIONO Ejemplo:

Conociendo que la masa atmica del aluminio es de 26,98 g/mol. Cul es la masa de un tomo de Al expresada en gramos? Y Qu nmeros de tomos se encuentran en un gramo de Al?

TABLA PERIODICAO Es el arreglo de todos los elementos que existen. O Dmitri Mendeleev, orden todos los elementos en orden

ascendente de nmero atmico, formando grupos o familias cuyos elementos poseen propiedades similares. O Grupos columnas verticales O Perodos filas horizontales

NIVELES ENERGETICOSO

Los niveles energticos en un tomo se pueden visualizar como un hotel en el cual las mejores habitaciones dobles estn en el primer piso.

Distribucin de Electrones por Niveles de EnergaATOMS HOTEL Sptimo Nivel Sexto Nivel Quinto Nivel Cuarto Nivel Tercer Nivel Segundo Nivel Primer Nivel

ATOMS HOTEL

Los electrones como los inquilinos tratarn de ocupar primero las mejores habitaciones del piso 1 y cuando se llene todo el piso, los dems inquilinos comenzarn a ocupar el segundo.

Niveles y subnivelesO Los niveles de energa tienen ciertos

subniveles como: s, p, d y f. EL primer nivel de energa consta de un solo subnivel(1s), el segundo nivel tiene dos subniveles (2s y 2p), el nivel 3 posee tres subniveles(3s,3p y 3d) y as sucesivamente.

Capacidad de electrones en cada subnivelSubnivel s p d f Capacidad de electrones 2 6 10 14

Nivel de energa (n) 12 3

Subniveles (l) ss p s p d s p d f

Orbitales (m) 11 3 1 3 5 1 3 5 14

45,6,7

Modelo Atmico de la Mecnica CunticaO NMEROS CUNTICOS: Describen el estado de los electrones en

los orbitales atmicos. Cada conjunto de cuatro nmeros cunticos caracteriza a un electrn:

O n: determina el nivel energtico O l: determina el subnivel energtico

O m: determina el orbital concreto dentro de ese subnivelO s: determina el electrn concreto dentro de los que pueden alojarse en cada orbital (puede haber dos electrones en cada orbital).

Nmero Cuntico Principal (n): Nos da informacin acerca de la energa total del electrn. Valores posibles: 1, 2, 3, 4, 5

Nmero Cuntico Azimutal (l):

Nos da informacin acerca de la forma de los orbitales. Valores posibles: 0, 1, 2, 3,(n 1)

A cada valor de l se le asigna una letra:

Cada tipo de orbital tiene su forma:

El principio de exclusin de Pauli establece que un mximo de dos electrones pueden ocupar un mismo orbital atmico, pero si los electrones tienen espines opuestos.

Espn o giro para los dos electrones que ocupan un mismo orbital

+ 1/2

- 1/2

Regla de Hund establece que electrones cuyo giro es igual deben ocupar todos los orbitales que tienen igual energa, antes de que electrones adicionales que tengan espines opuestos puedan ocupar los mismos orbitales.

EJEMPLONitrgeno (Z=7)

1s2

2s2

2p3

ALUMINIO

1s2

2s2

2p6

3s2

3p1

ARGON

1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

Orden para llenar los orbitales segn la Regla Diagonal: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6

La distribucin de los electrones en los orbitales de un tomo, descrita por los nmeros cunticos, se denomina: Configuracin Electrnica del tomo Orden de llenado de los orbitales:

Configuracin electrnica de Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2

Diagrama Orbital del NquelDiagrama Orbital 4f ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ 6s ______

Ni5p ______ ______ ______ 4d ______ ______ ______ ______ ______ 5s ______

28 electrones

4p ______ ______ ______ 3d ______ ______ ______ ______ ______ 4s ______

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8

[Ar]3p ______ ______ ______ 3s ______

4s23d8

2p ______ ______ ______ 2s ______

Electrn Diferencial es el ltimo electrn entra en la configuracin electrnica.49 rea de Qumica

1s ______

A. Identifica a que elemento pertenece cada una de las siguientes configuraciones:

1. 1s2 2s2 2p1=2. 1s2 2s2 2p4= 3. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6= 4. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1=

B. Escribe la configuracin electrnica de los siguientes elementos:

1. Galio (Z=31)2. Niquel (Z=28) 3. Circonio (Z=40) 4. Indio (Z=49)

A lo largo de la historia, los qumicos han intentado ordenar los elementos de forma agrupada, de tal manera que aquellos que posean propiedades similares estn juntos. El resultado final el sistema peridico

Los elementos estn colocados por orden creciente de su nmero atmico (Z)

Se denominan

GRUPOS a las columnas de la tabla

PERODOS a las filas de la tabla

La utilidad del sistema peridico reside en que los elementos de un mismo grupo poseen propiedades qumicas similares

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GRUPOS

PERODOS

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ESPECIES CON CARGA ELCTRICA. IONES.Si un tomo neutro gana o pierde electrones, se convierte en una especie cargada, denominada ion Si gana electrones, hay exceso de stos, el ion ser negativo y se denomina anin Si pierde electrones, hay defecto de stos, el in ser positivo y se denomina catin Los elementos qumicos se pueden clasificar, segn su facilidad para perder o ganar electronesTipo de elemento Metales No metales Ejemplo Li, Be, Re, Ag O, F, I, P Si, Ge He, Ne, Ar Facilidad para formar iones Forman fcilmente iones positivos Forman fcilmente iones negativos Forman con dificultad iones positivos No forman iones54

SemimetalesGases nobles

Si un tomo pierde o gana electrones, adquiere una carga elctrica, y ahora recibe el nombre de in (catin, positivo y anin, negativo )

Los elementos de un mismo grupo, tienen propiedades qumicas semejantes, ya que tienen el mismo nmero de electrones en su capa de valencia (ltima capa electrnica) y estn distribuidos en orbitales del mismo tipo

Por ejemplo, los elementos del grupo 17:

Elemento Flor Cloro Bromo Yodo

Configuracin electrnica 1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5

Configuracin ms externa

ns2 np5

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p5

Estos hechos sugieren que las propiedades qumicas de un elemento estn relacionadas con la configuracin electrnica de su capa de valencia56

Se distinguen varios bloques caracterizados por una configuracin electrnica tpica de la capa de valencia A) Elementos representativos Su electrn diferenciador se aloja en un orbital s o un orbital p

La configuracin electrnica de su capa de valencia es: n sx (x =1, 2) o n s2 n px (x= 1, 2, ..., 6) Los elementos representativos constituyen los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18 del sistema peridico

B) Metales de transicin Su electrn diferenciador se aloja en un orbital d

La configuracin electrnica de su capa de valencia es: (n-1) dx n s2 (x= 1, 2, ..., 10) Los metales de transicin constituyen los grupos del 3 al 12 del sistema peridico57

C) Metales de transicin interna Su electrn diferenciador se aloja en un orbital f

La configuracin electrnica de su capa de valencia es: (n-2) fx (n-1) d0 n s2 (x= 1, 2, ..., 14)

Excepciones

El hidrgeno de configuracin 1s1 no tiene un sitio definido dentro de

los bloques Por su comportamiento qumico diferente, los elementos del grupo 12 (Zn, Cd, Hg), cuya capa de valencia tiene una configuracin (n-1) d10 n s2, no se consideran elementos de transicin debido a su comportamiento qumico

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Los bloques del Sistema Peridico se ubican de la siguiente forma

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EL TAMAO ATMICO.Los tomos e iones no tienen un tamao definido, pues sus orbitales no ocupan una regin del espacio con lmites determinados. Sin embargo, se acepta un tamao de orbitales que incluya el 90% de la probabilidad de encontrar al electrn en su interior, y una forma esfrica para todo el tomo. A continuacin se muestra con el tamao relativo de los tomos de los elementos representativos. Los radios estn expresados en nm (1 nm = 10-9 m) Los radios de los tomos varan en funcin de que se encuentren en estado gaseoso o unidos mediante enlaces inico, covalente o metlico

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En iones positivos (cationes): el tamao del catin es ms pequeo que el

del tomo neutro ya que al perder electrones de la capa ms externa, los que quedan son atrados por el ncleo con ms fuerza por la carga positiva del ncleo

En iones negativos (aniones): el tamao del anin es ms grande que el

del tomo neutro. Un in negativo se forma cuando el tomo gana electrones. Estos electrones aumentan las fuerzas de repulsin existentes entre ellos

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ENERGA DE IONIZACIN.La primera energa de ionizacin (EI) es la energa necesaria para

arrancar el electrn ms externo de un tomo en estado gaseoso en su estado fundamental.

La segunda energa de ionizacin es la energa necesaria para arrancar el siguiente electrn del in monopositivo formado.

La energa de ionizacin disminuye al descender en un grupo ya que la carga nuclear aumenta y tambin aumenta el nmero de capas electrnicas, por lo que el electrn a separar que est en el nivel energtico ms externo, sufre menos la atraccin de la carga nuclear (por estar ms apantallado) y necesita menos energa para ser separado del tomo

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ENERGA DE IONIZACINLa energa de ionizacin crece al avanzar en un perodo ya que al avanzar en un perodo, disminuye el tamao atmico y aumenta la carga positiva del ncleo. As, los electrones al estar atrados cada vez con ms fuerza, cuesta ms arrancarlos Excepciones: las anomalas que se observan tienen que ver con la gran estabilidad que poseen los tomos con orbitales semiocupados u ocupados, debido a que los electrones son ms difciles de extraer.

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AFINIDAD ELECTRNICAAfinidad electrnica es la energa puesta en juego que acompaa al proceso de adicin de un electrn a un tomo gaseoso (AE). Los valores de la afinidad electrnica se consideran, normalmente, para 1 mol de tomos

La mayora de los tomos neutros, al adicionar un electrn, desprenden energa, siendo los halgenos los que ms desprenden y los alcalinotrreos los que absorben ms energa

La variacin de la afinidad electrnica es similar a la de la energa de ionizacin, sin embargo hay algunas excepciones y la afinidad electrnica de algunos elementos se desconoce

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AFINIDAD ELECTRNICA.

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ELECTRONEGATIVIDAD.La electronegatividad es la tendencia que tienen los tomos de un elemento a atraer hacia s los electrones cuando se combinan con tomos de otro elemento. Por tanto es una propiedad de los tomos enlazados La determinacin de la electronegatividad se hace conforme a dos escalas: Escala de Mulliken: Considera la electronegatividad como una propiedad de los AE EI tomos aislados, su valor es: EN 2 Escala de Pauling: Se expresa en unidades arbitrarias: al flor, se le asigna el valor ms alto, por ser el elemento ms electronegativo, tiene un valor de 4 y al cesio, que es el menos electronegativo se le asigna el valor de 0,7 La electronegatividad aumenta con el nmero atmico en un perodo y disminuye en un grupo. El valor mximo ser el del grupo 17 y el valor nulo es el de los gases nobles66

Potencial de ionizacin

Electronegatividad

Afinidad electrnica

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CARCTER METLICOSegn el carcter metlico podemos considerar los elementos como: Metales: Pierden fcilmente electrones para formar cationes Bajas energas de ionizacin Bajas afinidades electrnicas Bajas electronegatividades

No Metales: Ganan fcilmente electrones para formar aniones Elevadas energas de ionizacin Elevadas afinidades electrnicas Elevadas electronegatividades

Semimetales o metaloides: Poseen propiedades intermedias entre los metales y los no metales (Si, Ge)68

CARCTER METLICO.Alto en elementos que: Pierden fcilmente electrones para formar cationes. Bajas energas de ionizacin Bajas afinidades electrnicas Bajas electronegatividades

Bajo en elementos que:

Ganan fcilmente electrones para formar aniones Elevadas energas de ionizacin Elevadas afinidades electrnicas Elevadas electronegatividades

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REACTIVIDADLos metales reaccionan perdiendo electrones, as cuanto menor sea su energa de ionizacin sern ms reactivos. La reactividad: Disminuye al avanzar en un perodo

Aumenta al descender en el grupo Los no metales reaccionan ganando electrones, as cuanto mayor sea su afinidad electrnica sern ms reactivos. La reactividad: Aumenta al avanzar en un perodo

Aumenta al ascender en el grupo

En los gases nobles la reactividad es casi nula o muy baja, debido a que poseen configuraciones electrnicas muy estables70

LAS PROPIEDADES PERIDICAS VARAN DE LA SIGUIENTE MANERA

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