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Módulo Química I Periodo
ROFESOR. ESTUDIANTE
Elsy Leottau Mendoza GRUPO
PERIODO: I
FECHA DEL PERÍODO
4Febrero
GRADO 9
MOD No:
No
AREA: 1
Ciencias Naturales
META DE COMPRENSIÓN DEL AREA Reconocer la importancia de los aportes que se han hecho a cerca de la estructura de la materia que permiten tener una visión propia del comportamiento químico de las sustancias. META DE COMPRENSIÓN DEL AÑO El estudiante comprenderá: La estructura de los átomos teniendo en cuenta las diferentes teorías, estableciendo relaciones entre éstas y los avances tecnológicos. TÓPICO GENERADOR ¿ De qué estamos Hechos? CONTENIDOS 1. Cómo se presenta la Materia - Sustancias Puras - Mezclas Homogéneas y Heterogéneas - Separación de Mezclas 2. Estructura de la Materia - Cómo es la estructura del átomo - Cómo se organizan los electrones en los átomos METAS DE COMPRENSIÓN DEL PERIODO El estudiante comprenderá: 1. Los procedimientos utiliza la química para separación de mezclas y como aplicas estos procesos en tu vida. 2. La evolución de los diferentes modelos atómicos para llegar al actual, valorando la importancia de cada uno en su época. 3. Cómo están distribuido los electrones y la incidencia de ellos en su comportamiento químico
CRONOGRAMA COMPETENCIA ESTÁNDAR Adquiere habilidades y destrezas básicas del trabajo científico, aplicarlas en la resolución de problemas y en la realización de experiencias sencillas
.Aplica diferentes modelos biológicos, químicos y físicos en procesos industriales y en el desarrollo tecnológico; analizo críticamente las implicaciones de sus usos
DESEMPEÑOS DE COMPRENSIÓN Identifico las diferentes formas de separar mezcla
FECHA
VALORACIÓN CONTINUA
Semana 1-2
Orientaciones del profesor, Seguimiento de Instrucciones Revisión del ejercicio por parte del docente y socialización de los distintos puntos de vista de los educandos alrededor del tema
Explico la estructura de los átomos a partir de diferentes teorías
Semana 3-4
Socialización de los conceptos básicos Pruebas escritas para valorar el grado de comprensión y responsabilidad que han tenido los educandos a lo largo del periodo
Explico la relación entre la estructura de los átomos y lo compuestos que forma
Semana 5-8
Preguntas de comprensión lectora a fin de verificar el dominio de las principales ideas expuestas en la guía de estudio. Revisión de actividades asignadas para observar las comprensiones alcanzadas Revisión de informe. Seguimiento de instrucciones.
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NIVELES DE META SUPERIOR. Comprende y diseña ejemplos sobre diferentes métodos de separar mezclas. ALTO. Clasifica y diferencia las mezclas de acuerdo a su composición BASICO. Identifica los diferentes métodos de separar mezclas BAJO. Presenta dificultad en la identificación de los diferentes métodos para separar mezclas. SUPERIOR Construye líneas de tiempo con los sucesos relevantes de cada uno de los modelos atómicos ALTO. Elabora e interpreta modelos de átomos que ilustran su estructura y constitución BASICO. Deduce e interpreta la estructura atómica y su representación BAJO. Presenta dudas en el diseño de líneas de tiempo sobre los diferentes modelos atómicos. SUPERIOR. Construye ejercicios donde ubiques el periodo, grupo y el número de electrones por nivel para un átomo dado a partir de la configuración electrónica ALTO. Comprende la relación que hay entre configuración electrónica de un elemento y su posición en la tabla. BÁSICO. Identifica y compara algunas propiedades periódicas de los elementos químicos en los ejercicios de Distribución electrónica. BAJO. Presenta muchas dudas para ubicar los elementos en la tabla periódica y realizar la distribución electrónica
ORIENTACIONES DIDACTICAS Lee cuidadosamente cada uno de los numerales del Módulo Búscalos en tus libros y respóndelos expresándolos en palabras sencillas. Responde con responsabilidad y honestidad. Aprovecha el tiempo del trabajo personal para el desarrollo de las actividades asignadas y consulta con tu profesor las dudas al respecto. Debes llevar hojas de complemento y correcciones para un mejor aprendizaje. Baja de Internet las actualizaciones que encuentres sobre el tema y socialízalo con tus compañeros. Los ejercicios del módulo se revisaran en cada clase. Criterios a tener en cuenta al revisar los trabajo o actividades asignadas: puntualidad, creatividad, presentación. Después de realizadas las prácticas de Laboratorio el estudiante debe redactar un informe con las especificaciones dadas por el docente. Cuando el profesor lo indique se hará una evaluación escrita de los temas vistos en ella.
RECURSOS REQUERIDOS (AMBIENTES PREPARADOS PARA EL PERIODO) Salón organizado y aseado, sillas dispuestas según momentos de trabajo. Tabla Periódica, Triangulo de Pauling, materiales de Laboratorio, Guías de Laboratorio, que facilitarán la comprensión de los educandos, de los temas a tratar, además de algunas actividades extra clase sugeridas en páginas web de consulta y el trabajo individual en el Módulo de estudio. INNTRODUCCIÓN
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En este Módulo estudiaremos las diversas formas como se presenta la materia, ¿Cuándo la materia es Homogénea? y ¿Cuándo es Heterogénea ¿. Tambien saber que las sustancias raramente se encuentran puras en la Naturaleza sino en forma de mezclas, disoluciones y suspensiones. Toda la materia podemos separarla de diferentes formas hasta llegar a sus componentes más simples. Estos métodos se clasifican según sus características y son: Métodos de separación química: destruyen las sustancias originales Los métodos químicos de separación son procesos en los que los compuestos químicos se separan en elementos más sencillos. Estos métodos químicos se caracterizan por la necesidad de efectuar una reacción química previa a la separación. Hay muchos métodos químicos de separación pero los más importantes y conocidos son por: Electrólisis y Gravimetrías. Otros métodos son la descomposición térmica donde se somete a un compuesto a una temperatura elevada hasta que se descompone en sus elementos o en otros compuestos más sencillos. Entre los métodos más utilizados para separar mezclas tenemos: Decantación,Filtración,Evaporación,Destilación,Centrifugación,Cristalización,Cromatografía. Estudiamos la estructura de la materia, que partículas fundamentales forman al átomo teniendo en cuenta las características que identifican a cada una y la incidencia que tienen en la formación de la gran cantidad de moléculas y compuestos existentes. Realizamos ejercicios utilizando la distribución electrónica de los elementos químicos ubicándolos en la tabla periódica, empezaremos el estudio de la tabla Periódica mediante la realización de líneas de tiempo basados en cronología de sucesos relevantes que aportaron los trabajos de científicos gracias a los cuales se organizaron los elementos hasta nuestros días.
MARCO TEÓRICO PRESENTACIÓN DE LA MATERIA . SEPARACIÓN DE MEZCLAS Siempre que se habla de materia se hace referencia a la energía que es la capacidad para realizar un trabajo o de producir cambios tales como la posición o la temperatura de un objeto. Las diversas formas en que se encuentra la materia reciben el nombre de sustancia, las sustancias pueden ser Homogéneas y heterogéneas. Las sustancias homogéneas pueden ser Puras y se dividen en elementos y compuestos y mezclas homogéneas como las soluciones y las mezclas heterogéneas o mezclas LAS MEZ CLAS Son dos o más sustancias que forman un sistema en el cual no hay enlaces químicos entre las sustancia que lo integran. Las mezclas se clasifican en homogéneas y heterogéneas, las mezclas homogéneas están formadas por una sola fase, es decir, no se pueden distinguir las partes, ni aún con la ayuda de un microscopio eléctrico. Por ejemplo el aire es una mezcla gaseosa compuesta principalmente por Nitrógeno, Oxígeno, Argón, Vapor de Agua, y Dióxido de Carbono, en ésta mezcla no se distinguen límites de separación entre una sustancia y otra. Las mezclas heterogéneas están formadas por más de una fase, por ejemplo el aceite y el agua forman una mezcla en la que el aceite se localiza en la parte superior y el agua, en la parte inferior,, debido a que la densidad de ésta última es mayor que la del aceite, se pueden distinguir claramente las fases. . Hay varios métodos para separar los componentes de una mezcla, los mas usuales son: Decantación, filtración destilación, cristalización, magnetismo, cromatografía Métodos físicos: estos métodos son aquellos en los cuales la mano del hombre no interviene para que estos se produzcan, un caso común es el de sedimentación, si tu depositas una piedra en un liquido el solido rápidamente se sumergiría por el efecto de la gravedad. Métodos mecánicos: Decantación, se aplica para separar una mezcla de líquidos o un solido insoluble de un liquido, en el caso de un solido se deja depositado por sedimentación en el fondo del recipiente y luego el liquido es retirado lentamente hacia otro recipiente quedando el solido depositado en el fondo del recipiente, ahora bien cuando los líquidos no miscibles estos líquidos al mezclarse tienen la propiedad de ir separándose en el recipiente, al comienzo quedan como un sistema homogéneo pero luego al separarse se puede sacar al liquido que quede en la parte superior, quedando el otro en el recipiente de origen. Método de Filtración
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Filtración: es aplicable para separar un solido insoluble de un liquido se emplea una malla porosa tipo colador, la mezcla se vierte sobre la malla quedando atrapada en ella el solido y en el otro recipiente se depositara el liquido, de ese modo quedan separados los dos componentes.
Para no confundirnos de métodos, las aplicaciones a través de materiales porosos como el papel filtro, algodón o arena se separan el sólido que se encuentra suspendido en un líquido. De esta manera estos materiales son quienes permiten que solamente pase el líquido, reteniendo al sólido. Evaporación: Aquí un solido soluble y un liquido por medio de temperatura de ebullición la cual evaporara completamente y luego por condensación se recuperara el liquido mientras que el solido quedara a modo de cristales pegado en las paredes del recipiente de donde podría ser recuperado. Punto de ebullición: cuando un liquido a determinada temperatura se va evaporando. Todos los líquidos presentan diferentes puntos de ebullición. Sublimación: Es para separar una mezcla de dos sólidos con una condición uno de ellos podría sublimarse, a esta mezcla se aplica una cantidad determinada de calor determinada produciendo los gases correspondientes a los elementos, estos vuelven a recuperarse en forma de sólidos al chocar sobre una superficie fría como una porcelana que contenga agua fría, de este modo los gases al condensarse se depositan en la base de la pieza de porcelana en forma de cristales. Centrifugación: aquí como tantas ocasiones pondremos de ejemplo al talco como solido, para acelerar su sedimentación se aplica una fuerza centrifuga la cual acelera dicha sedimentación, el movimiento gravitacional circular por su fuerza se logra la separación. Destilación: esta separación de mezcla se aplica para separar una mezcla de mas de dos o mas líquidos miscibles, los líquidos como condición deben de tener por lo menos 5º de diferencia del punto de ebullición. De esta forma se ira calentando hasta llegar al punto de ebullición del primer liquido, se mantendrá esta temperatura colocando o sacando el mechero para mantener la temperatura de ebullición, a modo de calor regulado de vaporización, cuando ya no se observa vapores se aumenta la temperatura al punto de ebullición del segundo liquido, podría ser repetitiva la operación según el número de líquidos que contenga la mezcla. Los vapores que se producen pasan por un condensador o refrigerante de tal manera que los vapores se irán recuperando
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en recipientes. Destilación: Técnica que se utilizada para purificar un líquido o bien separar los líquidos de una mezcla líquida.
Se trabaja en dos etapas: estas son la transformación del líquido en vapor y condensación del vapor. Decantación puede ser: LIQUIDO -LIQUIDO: Líquidos de diferente densidad: Estos dejándolos en reposo sedimentan. La decantación La decantación es un proceso físico de separación de mezclas, especial para separar mezclas heterogéneas, estas pueden ser exclusivamente líquido – líquido ó sólido – líquido. Esta técnica se basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes, que hace que dejándolos en reposo se separen quedando el más denso arriba y el más fluido abajo. Para realizar esta técnica se utiliza como instrumento principal un embudo de decantación, que es de cristal y esta provisto de una llave en la parte inferior.
Como se realiza su extracción en esta técnica de separación, se basa en las diferentes afinidades de los componentes de
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las mezclas en dos solventes distintos y no solubles entre sí. Es una técnica muy útil para aislar cada sustancia de sus fuentes naturales o de una mezcla de reacción. La técnica de extracción simple es la más común y utiliza un embudo especial llamado embudo de decantación. Tamización: en la imagen de abajo podemos apreciar claramente el método de separación por tamización. El tamizado es un método de separación de los más sencillos, consiste en hacer pasar una mezcla de cualquier tipo de sólidos, de distinto tamaño, a través de el tamiz. Los granos más pequeños atraviesan el tamiz y los más grandes son retenidos, de esta forma podrás separa dos o más sólidos, dependiendo tanto de dichos sólidos como el tamizador que utilizamos.
Cromatografía. La Cromatografía es la separación de aquellos componentes de una mezcla que es homogénea.
Cromatografía: La separación de determinados componentes de una mezcla la cual sea homogénea, Técnica que se usa para permitir separar aquellos componentes de una mezcla, para ello se hace pasar a través de un absorbente (que se adhiere a una superficie). Se conoce y utiliza como metodología más simple es la que usa papel como medio absorbente, el papel es el filtro en esta Cromatografía, y el solvente el liquido alcohol o agua. Estos componentes se separan cuando estos componentes manifiestan sus diferentes afinidades por el filtro de papel o bien el disolvente que acciona. Podemos ver que la tinta de plumón parece como totalmente homogénea, sin embargo al estar formada por distintos componentes se pueden separar con facilidad, para ello solo requerimos dejar correr en un medio que sea absorbente por acción de un disolvente. Nombremos algunos ejemplos que se pueden usar para este método, los productos que se usan como medio de absorción pueden ser, arena, papel, tiza,filtro, etc.
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Lo más utilizado es el papel de filtro, siempre en los laboratorios de estudio, se hace una demostración con el papel de filtro y tinta de plumón de agua, la razón es que para poder separar estos componentes de la mezcla, se nos torna sencillo ya que utilizamos como disolvente el agua. Para lograr un buen resultado se debe tener en cuenta, que para lograr la separación el disolvente no puede ni debe estar en contacto con la mezcla, este debe llegar a ella por medio de la absorción.
CONCEPTOS CLAVE Debes dominar los conceptos de las formas como se presenta la materia y la energía, cambios de estado, separación de mezclas. EJERCICIO I 1. ¿ Que son mezclas? ¿ cuantas clases de mezclas Hay? Explícalas 2. ¿Cuándo se presenta una solución? Explica sus componentes y da ejemplos 3.¿ Que son los coloides y las suspensiones? Da ejemplos 4. ¿ Escribe las diferencias físicas que aprecias entre las siguiente sustancias: Mayonesa, azúcar en agua, mantequilla, alcohol en agua, agua y arena, yeso en agua. 5. Según el tamaño de las partículas que las componen, ¿ qué clase de sustancias son? 6. Se preparan dos mezclas una con 1gr de azúcar y 10 gr de agua ( mezcla A) y otra con 10 ml de alcohol y 20 ml de agua ( mezcla B) a. La masa de la mezcla A es: Igual a 11______ Menor que 11_____ Mayor que 11____ b. La masa de la mezcla B es: Menor que la masa de la masa de agua _____ Mayor que la masa de alcohol + la masa de agua _____ Igual ala masa de alcohol + la masa de agua_____
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c. el volumen de la mezcla es: Mayor de 30 ml____ Menor de 30 ml____ Igual a 30 ml____ d. El volumen de la mezcla A es : Igual al volumen de azúcar+ el volumen del agua_____ Mayor que el volumen de azúcar + el volumen del agua_____ Menor que el volumen de azúcar + el volumen del agua_____ 7. De los coloides industriales ¿cuáles utilizas? 8. Posiblemente te has llegado a enfermar ¿ Qué suspensiones has utilizado? 9. Realiza un mapa conceptual donde expliques como se separan las mezclas 10. ¿ Qué procedimiento sencillo podrían diseñar para saber como se separan las mezclas, que puedas utilizar en laboratorio o en la vida diaria?( Experiencia en laboratorio)
ACTIVIDAD EXTRACLASES Consulta que otra formas de separación de mezclas hay, y en que campo de la vida diaria se utilizan.
MARCO TEÓRICO Estructura Atómica, Modelos atómicos, elementos químicos. Estructura atómica Cada elemento químico está constituido por unidades más pequeñas denominadas átomos. Cada átomo está formado por un núcleo central y 1 o más capas de electrones. Dentro del núcleo residen partículas subatómicas: protones (de carga positiva) y neutrones (partículas del mismo peso, pero sin carga). El número de protones del núcleo es característico de cada elemento y es llamado número atómico, Ej: Hidrógeno: 1, Carbono: 6, Fósforo : 15. Sin embargo, diferentes átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número de neutrones en el núcleo, llamándose isótopos. Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas órbitas, los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones, el orbital más externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Debido a su repulsión mutua, solo un determinado número de electrones puede ocupar el espacio cercano al núcleo, la capa más cercana solo puede tener dos electrones, la segunda capa puede tener hasta 8 e- en varios orbitales.
Así como los átomos son las menores partículas de un elemento, una molécula es la menor partícula de un compuesto; consta de dos o más átomos, iguales o diferentes, que se mantienen unidos mediante las interacciones o enlaces de los electrones de las capas mas externas. Los principios básicos de la reactividad atómica son: 1. un átomo es estable (no reaccionará con otros) cuando su capa externa de electrones esté completamente ocupada o completamente vacía. 2. un átomo es reactivo cuando su capa externa de electrones externa solo está parcialmente llena, y puede lograr estabilidad al perder electrones, al ganarlos o compartirlos con otro átomo, esto da como resultado fuerzas llamadas enlaces químicos que mantiene juntos los átomos en la molécula. Átomos y Moléculas:
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Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego Demócrito sugirió que toda la materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuáles llamó átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a finales del siglo dieciocho comenzaron a ser aceptadas. En 1808, el maestro de escuela inglés, Jhon Dalton, publicó las primeras ideas "modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de la Teoría Atómica de Dalton, que es de las más relevantes dentro del pensamiento científico. Los postulados de Dalton se pueden enunciar: 1. 2. 3. 4. 5.
Un elemento está compuesto de partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos. Todos los átomos de un elemento dado tienen propiedades idénticas, las cuales difieren de las de átomos de otros compuestos Los átomos de un elemento no pueden crearse, ni destruirse o transformarse en átomos de otros elementos. Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre sí en una proporción fija. Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado.
En la época de Dalton se conocían la Ley de la Conservación de la Materia y la Ley de las Proporciones Definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica. Dalton consideró que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de vista importantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones. En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaron en limitadas observaciones experimentales de su época. Aún con sus limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar. Por esta razón se considera a Dalton como el padre de la Teoría Atómica Moderna. La partícula más pequeña de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se llama: Átomo. En casi todas las moléculas, dos o más átomos se unen entre sí formando unidades discretas muy pequeñas (partículas) que son eléctricamente neutras. Una Molécula es la partícula más pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia estable o independiente. Un átomo de oxígeno no puede existir sólo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está formado por dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica O2. Otros de moléculas diatómicas son: al hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo. Otros elementos existen como moléculas más complejas; por ejemplo el fósforo forma moléculas de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho átomos en condiciones de temperatura y presión normales. Las moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas poliatómicas. Los átomos son los componentes de las moléculas, y estás a su vez son los componentes de los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple vista es posible observar las muestras de compuestos y elementos, formadas por grandes números de átomos y moléculas. Con el microscopio electrónico es posible en la actualidad ver los átomos. Partículas Fundamentales: Las partículas fundamentales de un átomo son los bloques constituyentes básicos de cualquier átomo. El átomo, y por tanto toda la materia está formado principalmente por tres partículas fundamentales: electrones, neutrones y protones. El conocimiento de la naturaleza y la forma en que funcionan es fundamental para comprender las interacciones químicas. La masa y las cargas de las tres partículas fundamentales se muestran en la siguiente tabla. Carga Partícula
Masa (uma) (Escala Relativa)
Electrón (e-)
0.00054858
1-
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Protón (p+)
1.0073
1+
Neutrón (nº)
1.0087
Ninguna
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La masa del electrón es muy pequeña en comparación con la masa del protón o del neutrón. La carga del protón es de magnitud igual pero de signo opuesto a la carga del electrón. Procederemos a estudiar estas partículas con mayor detalle. El Electrón: El electrón, comúnmente representado como e− es una partícula subatómica. En un átomo los electrones rodean el núcleo, compuesto de protones y neutrones. Los electrones tienen la carga eléctrica más pequeña, y su movimiento genera corriente eléctrica. Dado que los electrones de las capas más externas de un átomo definen las atracciones con otros átomos, estas partículas juegan un papel primordial en la química. Historia y descubrimiento del electrón La existencia del electrón fue postulada por G. Johnstone Stoney, como una unidad de carga en el campo de la electroquímica. El electrón fue descubierto por Thompson en 1897 en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, mientras estudiaba el comportamiento de los rayos catódicos. Influenciado por el trabajo de Maxwell y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que en el tubo de rayos catódicos existían unas partículas con carga negativa que denominó corpúsculos. Aunque Stoney había propuesto la existencia del electrón fue Thompson quién descubrió su caracter de partícula fundamental. Para confirmar la existencia del electrón era necesario medir sus propiedades, en particular su carga eléctrica. George Paget Thompson, hijo de J.J. Thompson, demostró la naturaleza ondulatoria del electrón probando la dualidad ondacorpúsculo postulada por la mecánica cuántica. Este descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física de 1937. El spin del electrón se observó por vez primera en el experimento de Stern-Gerlach. Su carga eléctrica puede medirse directamente con un electrómetro, y la corriente generada por su movimiento con un galvanómetro. Los electrones y la práctica Propiedades y comportamiento de los electrones El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1.6 × 10−19 culombios y una masa de 9.10 × 10−31 kg (0.51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón. El electrón tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermión, es decir, que se le puede aplicar la estadística de Fermi-Dirac. Aunque la mayoría de los electrones se encuentran formando parte de los átomos, los hay que se desplazan independientemente por la materia o juntos formando un haz de electrones en el vacío. En algunos superconductores los electrones se mueven en pareja. Cuando los electrones que no forman parte de la estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de ellos en una dirección, este flujo se llama corriente eléctrica. La electricidad estática no es un flujo de electrones. Es más correcto definirla como "carga estática", y está causada por un cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los núcleos de sus átomos. Cuando hay un exceso de electrones, se dice que el cuerpo está cargado negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo está cargado positivamente. Si el número total de protones y electrones es equivalente, el cuerpo está en un estado eléctricamente neutro. Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón. El electrón es una partícula elemental, lo que significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial. Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.
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El Protón: Partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del átomo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión. El número atómico de un elemento indica el número de protones de su núcleo, y determina de qué elemento se trata. En física nuclear, el protón se emplea como proyectil en grandes aceleradores para bombardear núcleos con el fin de producir partículas fundamentales. Como ion del hidrógeno, el protón desempeña un papel importante en la química. El antiprotón, la antipartícula del protón, se conoce también como protón negativo. Se diferencia del protón en que su carga es negativa y en que no forma parte de los núcleos atómicos. El antiprotón es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, cuando un antiprotón colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve. Si bien la existencia de esta partícula elemental se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California. Los protones son parte esencial de la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 1033 años o más. Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema. Muchas de las teorías propuestas implican que el protón es, en último término, inestable, por lo que los grupos de investigación de numerosos aceleradores de partículas están llevando a cabo experimentos para detectar la desintegración de un protón. Hasta ahora no se han encontrado pruebas claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras formas. El Neutrón: El Neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la del electrón y 1,00014 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón. La existencia de los neutrones fue descubierta en 1932 por Chadwick; estudiando la radiación emitida por el berilio bombardeado con partículas, demostró que estaba formada por partículas neutras de gran poder de penetración, las cuales tenían una masa algo superior a la del protón. El número de neutrones en un núcleo estable es constante, pero un neutrón libre, en decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 1000 segundos, dando lugar a un protón, un electrón y un neutrino. En un núcleo estable, por el contrario, el electrón emitido no tiene la energía suficiente para vencer la atracción coulombiana del núcleo y los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor intensidad disponible hoy día es el reactor nuclear. El proceso fundamental que conduce a la producción de energía nuclear es la fisión de un núcleo de uranio originado por un neutrón: en la fisión el núcleo se escinde en dos partes y alrededor de tres neutrones por término medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de la escisión emiten, además otros neutrones. Los neutrones como todas las radiaciones, producen daños directos, provocando reacciones nucleares y químicas en los materiales alcanzados. Una particularidad de los neutrones es la de producir en los materiales irradiados sustancias radioactivas de vida media muy larga. De ahí que los daños más graves producidos por las explosiones nucleares sean los provocados por neutrones en cuanto que las sustancias transformadas en radiactivas por su acción pueden ser asimiladas por organismos vivientes; pasado cierto tiempo, estas sustancias se desintegran y provocan en el organismo trastornos directos y mutaciones genéticas MODELOS ATÓMICOS Modelo Atómico de Dalton Aproximadamente por el año 1808, Dalton define a los átomos como la unidad constitutiva de los elementos (retomando las ideas de los atomistas griegos). Las ideas básicas de su teoría, publicadas en 1808 y 1810 pueden resumirse en los siguientes puntos:
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La materia está formada por partículas muy pequeñas para ser vistas, llamadas átomos.
Los átomos de un elemento son idénticos en todas sus propiedades, incluyendo el peso.
Diferentes elementos están formados por diferentes átomos.
Los compuestos químicos se forman de la combinación de átomos de dos o más elementos, en un átomo compuesto; o lo que es lo mismo, un compuesto químico es el resultado de la combinación de átomos de dos o más elementos en una proporción numérica simple.
Los átomos son indivisibles y conservan sus características durante las reacciones químicas.
En cualquier reacción química, los átomos se combinan en proporciones numéricas simples.
La separación de átomos y la unión se realiza en las reacciones químicas. En estas reacciones, ningún átomo se crea o destruye y ningún átomo de un elemento se convierte en un átomo de otro elemento.
A pesar de que la teoría de Dalton era errónea en varios aspectos, significó un avance cualitativo importante en el camino de la comprensión de la estructura de la materia. Por supuesto que la aceptación del modelo de Dalton no fue inmediata, muchos científicos se resistieron durante muchos años a reconocer la existencia de dichas partículas. Además de sus postulados Dalton empleó diferentes símbolos para representar los átomos y los átomos compuestos, las moléculas. Sin embargo, Dalton no elabora ninguna hipótesis acerca de la estructura de los átomos y habría que esperar casi un siglo para que alguien expusiera una teoría acerca de la misma. Modelo Atómico de Thompson
Thompson sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas. Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, Thompson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la existencia de las otras radiaciones. Modelo Atómico de Rutherford
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Basado en los resultados de su trabajo, que demostró la existencia del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro. El modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se le conoce como el padre de la era nuclear. Aspectos más importantes del Modelo atómico de Ernest Rutherford:
El átomo posee un núcleo central en el que su masa y su carga positiva.
El resto del átomo debe estar prácticamente vacío, con los electrones formando una corona alrededor del núcleo.
La neutralidad del átomo se debe a que la carga positiva total presente en el núcleo, es igualada por el número de electrones de la corona.
Cuando los electrones son obligados a salir, dejan a la estructura con carga positiva (explica los diferentes rayos).
El átomo es estable, debido a que los electrones mantienen un giro alrededor del núcleo, que genera una fuerza centrifuga que es igualada por la fuerza eléctrica de atracción ejercida por el núcleo, y que permite que se mantenga en su orbita.
El valor de la cantidad de energía contenida en un fotón depende del tipo de radiación (de la longitud de onda). En la medida que la longitud de onda se hace menor, la cantidad de energía que llevan es mayor.
Las regiones donde las frecuencias es mayor (longitud de onda es menor), el contenido energético de los fotones, es grande en comparación con otras zonas.
En el caso de la luz ultravioleta (U.V.) sus radiaciones no se perciben a simple vista, pero conocemos su alto contenido energético al actuar como catalizador en numerosos procesos químicos.
= Longitud de onda: Distancia entre dos crestas en una onda (Longitud de un ciclo) C = Velocidad de la luz (2.998 x 108 cm/seg) = Frecuencia: Número de ondas que pasan por un punto en un segundo. Modelo Atómico de Bohr
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El físico danés Niels Bohr ( Premio Nobel de Física 1922), postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita la energía absorbida ( por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear. Este propuso una Teoría para describir la estructura atómica del Hidrógeno, que explicaba el espectro de líneas de este elemento. A continuación se presentan los postulados del Modelo Atómico de Bohr: El Átomo de Hidrógeno contiene un electrón y un núcleo que consiste de un sólo protón. · El electrón del átomo de Hidrógeno puede existir solamente en ciertas órbitas esféricas las cuales se llaman niveles o capas de energía. Estos niveles de energía se hallan dispuestos concéntricamente alrededor del núcleo. Cada nivel se designa con una letra (K, L, M, N,...) o un valor de n (1, 2, 3, 4,...). <El electrón posee una energía definida y característica de la órbita en la cual se mueve. Un electrón de la capa K (más cercana al núcleo) posee la energía más baja posible. Con el aumento de la distancia del núcleo, el radio del nivel y la energía del electrón en el nivel aumentan. El electrón no puede tener una energía que lo coloque entre los niveles permitidos.
Un electrón en la capa más cercana al núcleo (Capa K) tiene la energía más baja o se encuentra en estado basal. Cuando los átomos se calientan, absorben energía y pasan a niveles exteriores, los cuales son estados energéticos superiores. Se dice entonces que los átomos están excitados.
Cuando un electrón regresa a un Nivel inferior emite una cantidad definida de energía a la forma de un cuanto de luz. El cuanto de luz tiene una longitud de onda y una frecuencia características y produce una línea espectral característica.
La longitud de onda y la frecuencia de un fotón producido por el paso de un electrón de un nivel de energía mayor a uno menor en el átomo de Hidrógeno esta dada por:
Para Bohr el átomo sólo puede existir en un cierto número de estados estacionarios, cada uno con una energía determinada.
La energía sólo puede variar por saltos sucesivos, correspondiendo cada salto a una transición de un estado a otro.
El modelo de Niels Bohr, coincide con el propuesto por Rutherford, admite la presencia de un núcleo positivo que contiene, prácticamente, toda la masa del átomo, donde se encuentran presentes los protones y los neutrones. Los electrones con carga negativa, se mueven alrededor del núcleo en determinados niveles de energía, a los que determinó estados estacionarios, y les asignó un número entero positivo. El nivel más cercano tiene el número 1, le sigue el 2, como se citó en párrafo de éste mismo enunciado (Modelo atómico de Bohr). Siempre que el electrón se mantenga en la órbita que le corresponde, ni gana ni pierde energía. Si un electrón salta de una órbita a otra capta o libera energía en forma de fotones. La cantidad viene dada por la diferencia de energía entre los dos (02) niveles. La energía de cada nivel es mayor en la medida que se aleja del núcleo; sin embargo, las diferencias entre los niveles va disminuyendo, lo que permite que las transiciones electrónicas se produzcan con facilidad. El número de electrones de cada elemento en su estado natural es característico, puesto que depende de su número atómico. Estos electrones estarán distribuidos en diferentes niveles energéticos que pueden funcionar como estaciones de paso para aquellos que reciben suficiente energía para saltar de un nivel a otro. Al devolverse, la luz que, difractada, produce el espectro característico. Principios de incertidumbre Para poder estudiar las propiedades de un átomo y de sus partículas constituyentes, es necesario iluminarlo; es decir lograr la incidencia de luz sobre el; esto trae un cambio en su contenido energético y, a s vez en la posición. En otra palabras: el estudio del átomo lleva un error necesario que nos impide hablar con certeza de la posición o contenido energético del mismo. Esto imposibilita presentar un átomo como hasta el momento se ha hecho, puesto que se puede describir un espacio donde es muy probable encontrar un electrón, pero no se pude excluir la posibilidad de que se encuentre en otro lugar. Según el principio de incertidumbre no se puede conocer con exactitud la posición del electrón ni su contenido energético. Esto obliga a usar un nuevo termino "probabilidad", para la descripción del átomo. Modelo Atómico actual
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Entre los conocimientos actuales o no sobre el átomo, que han mantenido su veracidad, se consideran los siguientes: 1 La presencia de un núcleo atómico con las partículas conocidas, la casi totalidad de la masa atómica en un volumen muy pequeño. 2.Los estados estacionarios o niveles de energía fundamentales en los cuales se distribuyen los electrones de acuerdo a su contenido energético. 3. La dualidad de la materia (carácter onda-partícula), aunque no tenga consecuencias prácticas al tratarse de objetos de gran masa. En el caso de partículas pequeñas (electrones) la longitud de onda tiene un valor comparable con las dimensiones del átomo. 4. La probabilidad en un lugar de certeza, en cuanto a la posición, energía y movimiento de un electrón, debido a la imprecisión de los estudios por el uso de la luz de baja frecuencia. Fue Erwin Schodinger, quien ideó el modelo atómico actual, llamado "Ecuación de Onda", una fórmula matemática que considera los aspectos anteriores. La solución de esta ecuación, es la función de onda (PSI), y es una medida de la probabilidad de encontrar al electrón en el espacio. En este modelo, el área donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón se denomina orbital. <> El valor de la función de onda asociada con una partícula en movimiento esta relacionada con la probabilidad de encontrar a la partícula en el punto (x,y,z) en el instante de tiempo t. <> En general una onda puede tomar valores positivos y negativos. una onda puede representarse por medio de una cantidad compleja. Piense por ejemplo en el campo eléctrico de una onda electromagnética. Una probabilidad negativa, o compleja, es algo sin sentido. Esto significa que la función de onda no es algo observable. Sin embargo el módulo (o cuadrado) de la función de onda siempre es real y positivo. Por esto, a se le conoce como la densidad de probabilidad. La función de onda depende de los valores de tres (03) variables que reciben la denominación de números cuánticos. Cada conjunto de números cuánticos, definen una función específica para un electrón. <> Números Cuánticos Son cuatro (04) los números encargados de definir la función de onda (PSI) asociada a cada electrón de un átomo: el principal, secundario, magnético y de Spin. Los tres (03) primeros resultan de la ecuación de onda; y el último, de las observaciones realizadas de los campos magnéticos generados por el mismo átomo. 1.
Número cuántico principal ( n)
2. Número cuántico secundario ( l) 3. Número cuántico magnético ( m ) 4 . Número cuántico de Spin ( s ) CONCEPTOS CLAVES Debes dominar conceptos de estructura atómica, la concepción de los postulados de los diferentes modelos atómicos, concepto de elemento y los nombres y símbolos de los elementos químicos.
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EJERCICIO II 1. Elabora una línea de tiempo sobre la evolución de los modelos atómicos.
MARCO TEÓRICO DESCRIPCIÓN DE LOS NÚMEROS CUÁNTICOS, CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS ELEMENTOS Números Cuánticos Número cuántico principal <> Es un criterio positivo, representado por la letra "n", indica los niveles energéticos principales. Se encuentra relacionado con el tamaño. En la medida que su valor aumenta, el nivel ocupa un volumen mayor y puede contener más electrones, y su contenido energético es superior. Sus valores pueden ser desde 1 hasta infinito. Número cuántico secundario Representado por la letra "I", nos indica la forma que pueden tener el espacio donde se encuentra el electrón. El valor que se le asigna depende del número principal; va desde cero (0) hasta n-1. Se ha conseguido que para dos (02) electrones que pertenecen al mismo nivel energético (igual "n"), las diferencias en valores de "I", se expresan en diferencias de contenidos energéticos, debido a esto reciben la denominación de subniveles de energía con un aumento progresivo en la medida que "I" aumenta de valor. Número cuántico magnético <> Representa las orientaciones que pueden asumir los diferentes orbitales frente a un campo magnético; el símbolo utilizado es "m"; y los valores que tienen son los números orbitales enteros que van desde -1 hasta +1. El números de valores que pueden tener "m" indican el números de órbitas que puede contener un sub-nivel de energía. Número cuántico de Spin Tiene dos(02) valores permitidos +1/2 y -1/2. Estos valores representan el movimiento del electrón, tipo de rotación sobre su eje, con dos (02) únicas posibilidades y opuestas entre sí, hacía la derecha o hacía la izquierda. Cada uni de los orbitales puede contener dos (02) electrones, uno con cada spin. De estar los dos (02), el momento magnético se anula, es cero, esto sucede debido a lo apuesto. Los números cuánticos, nos permiten calcular la energía del electrón y predecir el área alrededor del núcleo donde se puede encontrar el electrón. ¿ Qué dice el principio de incertidumbre de Heisemberg?. Enuncie el principio de exclusión de Pauli. Enuncia la regla de Hund. ¿ Por qué es importante conocer estas reglas? Si observas la tabla periódica te darás cuenta que está formada por columnas( verticales) llamada grupos y filas ( horizontales) llamadas periodos. ¿ Qué indica el número del Grupo? ¿ Qué indica el número del periodo. Enuncia la ley periódica. Si te preguntas ¿Qué es número atómico? Debes tener presente que corresponde al número de protones que tiene un átomo y que es equivalente al número de electrones, o sea que el carbono tiene como # atómico 6 es decir Z = 6, este 6 corresponde al # atómico, que es el número de protones y electrones. A = # de masa, de donde A = Z + n y n = # de neutrones. Para C tenemos A = Z + n de donde, 12=6 + n ; 12 – 6 = n, o sea + que en el C, Z= 6P , n =6n y A= 12 uma. Si te piden la configuración electrónica para Z = 20, lo primero que tienes que hacer es remitirte a la tabla o triangulo de Pauling
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Para esto debes tener en cuenta: Niveles de energía N
Subnivel
Tipos de orbital
Números de orbitales posibles
1 2 3 4
S P D F
S syp s ,p ,d s, p , d , f
1 3 5 7
# máximo de electrones por nivel 2 6 10 14
Entonces tenemos: 2
2
6
2
6
2
2
2
6
2
6
2
1s 2s 2p 3s 3p 4s es lo mismo que 1s 2s 2p 3s 3p 4s ----- --------- --------- ----K L M N 2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Otra forma de expresarlo es : 1s 2s 2px 2py 2pz 3s 3px 3py 3pz 4s En la distribución electrónica de Z= 20 podemos identificar los cuatro números cuánticos así: n = 4, l = s, m = s, s = El número total de electrones por distribuir es igual al # atómico del Calcio.
CONCEPTOS CLAVES Antes de empezar a realizar los problemas debes dominar los conceptos de números cuánticos, configuración electrónica, # atómico, masa atómica, filas columnas, prerrequisitos que se necesitan para la organización de los elementos en la tabla periódica.
EJERCICIO III 1. ¿ Cuáles son los números cuánticos? ¿ Qué valores puede tomar cada uno? ¿Cuál es su significado. 2. Nombre algunos científicos que han contribuido a la formulación de la estructura del átomo según la mecánica cuántica y describa los aportes de cada uno de ellos. 3. Diagrame la distribución electrónica para los átomos de # atómico igual a, 3, 31, 17, 33, 52, 85, 88, indicando los 4 números cuánticos, grupo y periodo en el que se encuentran.
BIBLIOGRAFÍA Y DIRECCIONES ELECTRÓNICAS (PARA PROFUNDIZAR) http://quimicalibre.com/metodos-de-separacion-de-mezclas/
http://www.biologia.edu.ar/macromoleculas/estructura_de_la_materia.htm http://www.monografias.com/trabajos24/estructura-materia/estructura-materia.shtml http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/mod elos.htm http://www.monografias.com/trabajos14/modelo-atomico/modeloatomico.shtmlhttp://www.cespro.com/Materias/MatContenidos/Contquimica/QUIMICA_INORGANIC A/periodicidad_quimica.htm Química y Ambiente 10 MacGraw Hill Química 10 Educar Editores
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