APUNTES QUÍMICA

Tema A: El átomo

Son las partículas por las que están compuestos los elementos, tal como dimos en los anteriores apuntes. Cada átomo tiene unas subunidades:

Protones: Las que tienen carga positiva

Electrones: Las que tienen carga negativa

Neutro: No es ni positiva ni negativa.

*Rayos Catódicos: La capacidad de poder conducirse la electricidad por los gases

pero solo cuando están a una baja presión y lo conseguían con la ayuda de un

cátodo. Son siempre electrones, o sea, carga negativa.

*Rayos canales: Van en sentido contrario a los catódicos y con fuerzas mayores y

dependen también de la naturaleza del gas. Son siempre protones, o sea, carga

positiva.

*Experimento de Thompson: Según él, el átomo es una esfera llena de materia

positiva en el cual se encuentran electrones incrustados en él, como si fuese un

pastel de pasas.

*Experimento de Rutherford: Éste colocó una laminilla de oro en una caja

metálica y puso una especie de aro alrededor de ella y en esa caja solo había un

huequecito para que pasara la luz solar. Luego vio que había como puntos en el

aro que habían sobrepasado la laminilla de oro y otros que habían rebotado. Esto

deducía que los elementos están formados por un núcleo en el centro y por

electrones circulando continuamente por ese elemento.

La luz es una onda electromagnética, las cuales tienen movimientos ondulatorios al cual se le atribuye el movimiento armónico simple ( MAS ), que consiste en una oscilación en torno a un punto de equilibrio, como es el caso de un muelle-

Una onda resulta de la combinación de dos movimientos: Movimiento armónico simple en el eje del Y y rectilíneo y uniforme en el eje de la X ( F = K

Un movimiento armónico simple se caracteriza por:

-La amplitud: Máxima separación con respecto a la posición de equilibrio.

-El periodo: El tiempo que tarda en realizar una oscilación completa.

-La frecuencia: El número de oscilaciones que realiza en cada segundo. Es la

inversa al periodo. T= 1/f

Una onda de frecuencia es cuantas oscilaciones se hacen por segundo y a cuanto llegan esas oscilaciones por segundo. Se les atribuye la unidad de medida de los Hercios ( Hz )

Ej: Si una oscilación de un muelle al estirarse y volver a su posición inicial tarda 0´25 segundos. ¿ Cuantas oscilaciones habrá en un segundo?

1 segundo x ( 1 oscilación/0´25 segundos ) = 4 oscilaciones/segundo ! 4 Hz

La radiactividad emite radiación de forma natural y a las sustancias que emiten dicha radiación se les denomina sustancias radiactivas. Hay tres tipos de rayos:

-Rayos alfa: Tienen carga positiva doble que la de electrones y tiene una gran

velocidad

-Rayos beta: Tienen electrones muy rápidos

-Rayos gamma: Radiación semejante a la luz, pero mas energética

El movimiento armónico simple va con mucha frecuencia y a poca velocidad y el movimiento rectilíneo uniforme va a poca frecuencia y a mucha velocidad.

Se denomina “longitud de onda” a la distancia que ocupa una onda completa y de éstas las que tienen una alta frecuencia pues tienen una pequeña longitud de onda y las que tienen una baja frecuencia pues tienen un alta longitud de onda. Y a mayor frecuencia, mayor energía.

Hay muchos rayos con grandes velocidades. La luz recorre 300.000 km/s y en ella se hayan los siete colores del arcoiris, que cuando contacta con cualquier materia, pues ésta tiene un pigmento que al contactar con la luz, pues se refleja ese color. Cuando no hay nada de luz, no se ve absolutamente nada, o sea, totalmente oscuro. El color que tiene menos frecuencia es el rojo y el que mas es el violeta.

Otros rayos pues son peligrosos de menos a mas y se llegan a utilizar en la vida cotidiana pero controlándolos, como los rayos X, que se utilizan para hacer radiografías pero si se pasan, pueden llegar a provocar cáncer.

La energía de la radiación es igual a una constante llamada “constante de Planck”, la cual vale 6´63 * 10^-34, por la frecuencia

Energía = constante de Planck x frecuencia

Rutherford hizo un experimento de colocar una laminilla de oro rodeada de una circunferencia dejando un hueco pequeñísimo para que pase luz y al día siguiente vio que uno de los rayos rebotó en la laminilla y lo devolvió y otros fueron desviados. Este hecho fue porque chocó contra el núcleo de un átomo y entonces al dar en el centro de ese núcleo, es tan fuerte que hace que rebote el rayo de luz, y los que se desviaron fue porque chocaron con una esquina de ese núcleo y los que traspasaron la laminilla pues era porque pasaron por espacios vacíos entre átomo y átomo.

Este experimento demostró que en el centro del átomo se haya un núcleo atómico en el cual contiene un cierto número determinado de protones, al cual llamamos “número atómico” y cada elemento tiene un número determinado de protones. Ej: el hidrógeno contiene solo 1 protón, el calcio contiene 20 protones, el lantano tiene 57,...

En el átomo, en el núcleo atómico se hallan los protones y también neutrones y a la composición de ambos se les llama nucleones y alrededor hay cortezas en donde se hallan los electrones. Tal como hemos visto antes, cada elemento tiene un cierto número de protones en su núcleo y nunca dos elementos distintos tienen el mismo número de protones. Si vemos dos elementos con el mismo número de protones, es que son el mismo elemento esos dos elementos.

Cuando representamos un elemento en una tabla periódica o en donde sea, lo representamos de este modo:

1-Colocamos el símbolo que se le atribuye al elemento. Ej: Hierro!Fe, Oxígeno!O,...

2-A la izquierda, arriba de ese símbolo, colocamos el número másico, o sea, la masa atómica relativa del elemento.

3-Abajo a la izquierda, colocamos el número atómico.

Para analizar los protones, neutrones y electrones, se analizan del siguiente modo:

A= número másico Z= número atómico

Ej: Na A=37, Z=17

Nºprotones= 17; nºelectrones= 17, nºneutrones= 37-17=20

Cuando al lado del símbolo haya un +, es que se pierde un electrón. Cuando al lado del símbolo hay un -, es que se gana un electrón.

Ej: Na+ A=37, Z=17

Nºprotones= 17, nºelectrones=17-1=16, nºneutrones=37-17=20

Ej: Na- A=37, Z=17

Nºprotones=17, nºelectrones=18, nºneutrones=37-17=20

Los isótopos con elementos que tienen el mismo número atómico pero tienen diferente número másico.

Ej: 1- C A=12, Z=6 ; 2- C A=14, Z=6

Para poner el número másico de este tipo de elementos, se descubren los porcentajes de ambos datos según su abundancia en el exterior, y se hace una media ponderada, multiplicando casa número por la división del porcentaje entre cien y luego se suman todos los resultados y el resultado final que dé esa suma, pues ese valor será el número másico que se le atribuye al elemento. Un dato a añadir es el del descubrimiento del neutrón, que se descubrió cuando partículas sin carga al chocar los rayos alfa con una delgada lámina de berilio.

Ej: Se han encontrado átomos de cloro con éstas masas: 35 y 37. Del primero abunda en el exterior un 75% y del segundo abunda en el exterior un 25%. Calcular su número másico real que vendría en la tabla:

(35 x (75/100)) + (37x(25/100))= 26´25 + 9´25= 35´5 u.m.a.s

Se le atribuye por tanto el valor de 35´5 u.m.a.s al número másico del

Cloro.

Un hecho curioso es el origen de los elementos. El hidrógeno y el helio se fusionaron y se produjo una gran explosión a la cual llamamos “Big Bang” y luego por las altas temperaturas que había, se produjeron reacciones nucleares, entre ellas la reacción de fusión y se forma helio del hidrógeno y los núcleos del heliomse fusionan dando otros elementos mas pesados como el oxígeno y el carbono, los cuales al fusionarse forman otros elementos mas pesados como el hierro, y éste produce una explosión llamada “Supernova” y expulsará nubes de polvo y gas, formando nuevas estrellas y se forman otros elementos mas pesados, en los cuales al chocar sus partículas, forman otros mas pesados hasta así llegar a formarse todos los noventa y dos elementos que existen.

Una propiedad de la luz es cuando se desvía cuando pasa de un medio a otro, dependiendo de su frecuencia el ángulo de desviación. A esto se llama refracción y es propia de los espectros atómicos. Éstos se analizan con un espectroscopio. Un tipo de espectro es el de absorción, que absorbe radiación de la misma frecuencia que es capaz de emitir. En estos espectros, cuando se descompone la luz, se ha producido una dispersión cromática y se le llama espectro visible porque se puede ver. Cuando están en un amplio intervalo todas las longitudes de onda, se le llama como espectro de emisión continua, y cuando no lo están, se le llama como espectro de emisión discontinua.

En el nuevo modelo atómico de Böhr, éste explicaba los espectros atómicos del hidrógeno con los siguientes postulados:

1-El átomo se compone de un núcleo central en donde se encuentra la carga positiva y la carga neutra y por lo tanto, la mayor parte de la masa. Alrededor de ese núcleo están los electrones dando vueltas.

2-Los electrones solo pueden moverse en una determinadas órbitas ( en el caso del hidrógeno, solo uno se mueve y solo en una sola órbita ).

3-La energía del electrón dependerá de la órbita en la que se encuentre. Éste será su número cuántico principal (n). Cuanto mas cerca esté, menos energía tendrá.

1 electrovoltio = 1´6 x 10^-18

Energía = -13´6/número cuántico principal^2

4-Cuando se encuentra el electrón en su nivel de estado fundamental, es en su estado mas bajo de energía. Cuando absorbe energía, pasa a un nivel superior. Cuando emite energía, pasa a un nivel inferior.

Luego mas adelante hubo correcciones a estos modelos atómicos y se halló que las líneas estretoscópicas no eran gruesas, sino un conjunto de lineas muy finas y próximas, los cuales eran los niveles de energía.

La primera raya correspondía, según Sommerfeld, que eran dos subniveles de energía muy próximos entre sí y que eran dos órbitas diferenciales: una circular y la otra elíptica. La circular correspondía a la de menor energía y la elíptica a la de mayor energía. Y siempre en cada órbita, siempre una de las líneas es circular y el resto son elípticas. Los valores de cada uno siempre empezaran por 0 hasta el número de líneas que tiene menos 1, es decir, que n=4 tendrá en sus líneas unos valores de 0,1,2 y 3. A cada una de esas líneas se le asigna siempre una letra al lado del número cuántico. Siempre a la primera se le asigna la “s”, a la segunda la “p”, a la tercera la “d” y a la cuarta la “f”. Es decir, que para n=4, serán: 4s,4p,4d y 4f.

En cuanto a la corrección de Zeeman, dice que los rayos del espectro se desdoblaban, correspondiendo a varios subniveles elípticos con diferente posición pero iguales en tamaño y forma.

En el nivel l=2 hay cinco órbitas distintas y todas ellas con igual forma, tamaño y energía que se diferencian simplemente en la orientación espacial, en el nivel l=3 hay siete órbitas distintas y todas ellas con igual forma, tamaño y energía que se diferencian simplemente en la orientación sexual. A cada nivel, pues hay dos órbitas mas.

También cada uno tiene un número cuántico magnético (m), que va desde el negativo de ese valor hasta el número positivo de ese número. En cuanto al número cuántico de spin (s), se comprobó que cada rayo espectral se descomponía en dos nuevos rayos, que era del giro del electrón sobre su propio eje y se le atribuyó éste número que tiene dos valores: -1/2 y ½.

Cuanto mas alejado esté la órbita del núcleo, mas energía tendrá, aunque hay sus excepciones, y para ello se sigue el orden de energía de la órbita, el cual es el siguiente orden:

1s-2s-2p-3s-3p-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-6s-4p-5d-6p-7s-5f-6p

Y ahora ¿ cómo se puede aprender estos sin uno liarse ? pues del siguiente modo:

Según el principio de exclusión de Pauli, en un mismo átomo no puede haber dos electrones con los mismo cuatro números cuánticos iguales. Esto implica que en cada órbita puede haber como máximo dos electrones y cada uno con un spin diferente:

S=1 y caben 2 electrones

P=3 órbitas y caben 6 electrones

D=5 órbitas y caben 10 electrones

F= 7 órbitas y caben 14 electrones

La configuración electrónica consiste en ir colocando los electrones de menor a mayor energía y solo cuando esté completo un nivel:

1s!2, 2s!2, 2p!6, 3s!2

En la tabla periódica, pues los elementos se han clasificado de dos maneras: Primero en línea horizontal según su masa, o sea, de menos masa a mas masa, y luego según sus propiedades ( los que tengan propiedades idénticas, son del mismo tipo de elementos ). Luego se configuraba la configuración electrónica utilizando la tabla de antes y los valores de cuantos electrones caben en cada letra que se dijo anteriormente y así hasta llegar a sumar el número de electrones contiene el átomo de ese elemento.

Ej: Configurar electrónicamente el arsénico con z=33

1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p3 ya han sumado 33, asi que todo esto es la configuración electrónica del arsénico.

Pero claro, todo tiene sus excepciones, que son las siguientes:

1-El helio debería de estar colocado arriba del berilio, pero como se parece mas a los gases nobles que a los alcalinotérridos, pues se colocó en la columna de los gases nobles.

2-El hidrógeno no se parece nada a un metal alcalino ni a ningún otro grupo, ya que tiene características diferentes al resto de elementos, pero como tiene configuración 1s2, se coloca arriba de los alcalinos, aunque anteriormente se coloca solo arriba del todo en medio.

3-El lantano debería de ser “...,6s2,4f1”, pero tiene la excepción de que antes de colocar los electrones en el nivel “f”, pues se salta al 5d donde se coloca 1 electrón y luego se siguen colocando el resto en el f y luego salta al siguiente que va después del “d” y así con el resto.

Luego vemos que entre el lantano y el hafnio, con números atómicos de 57 y 72, pues entre esos elementos se produce un salto en la tabla, y esos elementos se colocan aparte, a los que se les llama “lantánidos”.

Siempre al principio, como Meyer y Melendeier no tenían ni idea sobre configuración electrónica, ordenaron los elementos según su masa atómica creciente y según su parecido a otros elementos.

La energía de ionización es la energía que se necesita para arrancar el electrón mas externo de un elemento para llevarlo a un átomo mas aislado, dando lugar a un ión positivo. Va a depender de la configuración electrónica y todos van a querer alcanzar la configuración s2p6, que es la de los gases nobles, para tener ocho electrones en su última órbita. En la tabla, aumenta de izquierda a derecha y en un grupo aumenta de abajo a arriba.

El radio atómico de un elemento es la mitad de la distancia que separa a los núcleos de dos átomos enlazados. En un grupo, aumentan de arriba abajo debido a su número de capas, ya que aumentan, y de izquierda a derecha aumentan los protones que hay en el núcleo y entonces cada vez se atrae mas el radio y entonces cada vez se va contrayendo mas. En un periodo siempre aumenta la carga nuclear pero nunca el número de capas y entonces está mas atraído el electrón que el anterior.

La electroafinidad es la energía que se desprende cuando un átomo capta un electrón convirtiéndose en el correspondiente ión negativo. Dependerá de lo estable o no que sea un ión negativo, que es cuando un ión negativo tiene poca energía y al pasar de átomo neutro a ión negativo, pues desprende mucha energía. Aumenta de izquierda a derecha, queriendo alcanzar la de los gases nobles. Y en un grupo aumenta de abajo a arriba.

La electronegatividad mide la mayor o menos atracción que un átomo ejerce sobre los electrones que lo enlazan con otros átomos. Aumenta de izquierda a derecha con excepción de los gases nobles.