PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

C U R S O : QUÍMICA MENCIÓN
MATERIAL QM N° 01
PARTÍCULAS SUBATÓMICAS
LOS ELECTRONES
El funcionamiento de una ampolleta es bastante simple, un haz de electrones (corriente eléctrica)
atraviesa un delgado filamento de metal resistente (Wolframio / Tungsteno). Este filamento está
dentro de una ampolla de vidrio a la cual se le ha extraído el aire en reemplazo de una atmósfera
inerte de Argón. Cuando la electricidad fluye por el filamento éste se pone incandescente, pero no
se quema pues no hay Oxígeno. El filamento por lo tanto, sólo emite luz.
Lo anterior fue posible cuando las ideas atómicas de Dalton tomaron forma. En 1897 el físico
inglés Joseph John Thomsom descubre el electrón y con ello cimenta las bases para comprender
que la materia en su parte esencial es simplemente carga eléctrica.
HISTORIA DE LA QUÍMICA
LAS IDEAS ATÓMICAS
El concepto atomista comienza con las ideas de Leucipo y Demócrito, según ellos:
La materia no es infinitamente divisible. Los componentes estructurales últimos son
partículas muy diminutas denominadas “átomos”.
Las diferencias entre una sustancia y otra se justifican por la disposición, forma y
tamaño de los átomos que las conforman.
Los átomos están en constante movimiento. La colisión interatómica provoca la
combinación para formar sustancias.
Los átomos se movilizan en el vacío. Éste además provoca su separación.
LA ALQUIMIA
La Alquimia tuvo su origen en la China y entre sus propósitos estaban:
La preparación de oro puro.
Síntesis de oro, natural o artificial, en forma comestible.
Preparación de otras medicinas para lograr la inmortalidad, aunque no tan eficaces como la
anterior.
A pesar de sus errores en el desarrollo de estas ideas se descubrieron muchos elementos químicos
y hubo un notable avance en la creación de instrumental científico.
LA TEORÍA DEL FLOGISTO
En términos generales la teoría sostenía que la combustión era un fenómeno de descomposición
y por tanto, siempre que una sustancia fuese combustionada ocurría el escape o pérdida de una
sustancia fundamental, intrínseca al cuerpo (flogisto).
El flogisto, se suponía presente tanto en los cuerpos inflamables como en los metales calcinables;
no se encontraba bajo ninguno de los tres estados de la materia, ni podía existir aislado.
La explicación exacta del fenómeno de la combustión la otorga Antoine Laurent Lavoisier. Según
las conclusiones del químico francés el fenómeno de la combustión es un proceso oxidativo y no
corresponde jamás a la pérdida de alguna sustancia.
2
EL MÉTODO CIENTÍFICO
El método científico es un procedimiento destinado a explicar fenómenos, establecer relaciones
entre los hechos y enunciar leyes que expliquen correctamente fenómenos físicos.
En junio de 1860 John Dewey, en concordancia con las ideas de Francis Bacon propone un método
de trabajo basado en una secuencia lógica y científica para enfrentar un determinado fenómeno:
1. Definir con claridad el problema o fenómeno. A continuación la lógica ordena desarrollar
experimentos, luego observar y anotar toda la información que sea relevante.
2. En un experimento los datos son valiosos, cualitativa y cuantitativamente. Haciendo
mediciones y observando la tendencia de ellas es posible pasar a las interpretaciones.
3. La interpretación debe hacerse sólo cuando se completan los experimentos y los datos son
suficientes.
4. Con fundamento en los datos obtenidos el científico puede formular una hipótesis, una
explicación tentativa para las observaciones realizadas.
5. Si la hipótesis tiene cabida en la comunidad científica y experimentos posteriores que la
pongan a prueba son satisfactorios, entonces podemos emitir una ley, entendiéndola “como
un enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que siempre
se repite bajo las mismas condiciones”.
6. Si la hipótesis resiste muchas pruebas experimentales para verificar su validez, se convierte
en teoría. Una teoría es un principio unificador que explica un grupo de hechos y las leyes
que se basan en ellos
LA TEORÍA DE DALTON
Comenzaremos a revisar el desarrollo histórico de las teorías atómicas y sus consecuencias a
partir de John Dalton quien en 1808, y basándose en las leyes de la combinación química,
enuncia los siguientes postulados:
La materia está compuesta de átomos, que son las partículas más pequeñas que pueden
participar en los compuestos. Son indivisibles y no pueden ser creados ni destruidos.
Los átomos de una misma sustancia son idénticos, con las mismas propiedades físicas y
químicas, y los de sustancia diferente tienen propiedades distintas.
Los átomos de los elementos distintos se combinan entre sí en relaciones enteras y
sencillas para formar moléculas compuestas.
Los átomos de los elementos pueden combinarse en más de una proporción entera y
sencilla para formar más de un compuesto.
La idea atómica del Dalton era mucho más precisa y clara que la de Demócrito. A pesar de ello
Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos, es más, tampoco tenía idea
cómo eran, sin embargo, pudo comprobar la diferencia entre las propiedades mostradas por los
átomos de hidrógeno y oxígeno en la molécula de agua y la interpretó claramente como una
diferencia atómica.
Hasta entonces se había creído que los átomos eran partículas indivisibles, pero, en realidad,
pronto surgieron muchas interrogantes que hicieron pensar que la estructura atómica no podía ser
tan sencilla como suponía la teoría de Dalton.
3
DESCUBRIMIENTO DE LOS ELECTRONES
En 1879 Williams Crookes observó que en los tubos en que se había generado vacío se generaban
descargas eléctricas al aplicarse altos voltajes sobre discos metálicos (electrodos) a un gas en su
interior. La intensidad de la luminosidad y su color dependían de la descarga eléctrica y la
naturaleza del gas dentro del tubo.
TUBO DE RAYOS
CATÓDICOS
CÁTODO -
ÁNODO +
PORTA OBJETOS
A partir de sus experiencias Crookes determinó que:
1. Los rayos se propagaban en línea recta, ya que al colocar un objeto u obstáculo en su
trayectoria, se produce sombra (comportamiento similar a la luz).
2. El sentido de su trayectoria es de negativo (cátodo) a positivo (ánodo), debido a esto se les
denominó RAYOS CATÓDICOS.
3. Al chocar con un cuerpo, lo calienta y hace girar un molinete si es situado en su trayectoria, es
decir, estos rayos poseen masa y por lo tanto energía cinética que pueden transmitir.
4. Las partículas que forman los rayos catódicos poseen carga eléctrica negativa, ya que
se desvían al acercarle un imán, de igual forma a como se desviaría una carga eléctrica de
signo negativo.
Un poco más tarde, Joseph John Thomsom, científico inglés, estudió la naturaleza eléctrica de
estos rayos, haciéndolos pasar a través de un campo eléctrico. Observó que el haz de rayos es
atraído por la placa positiva. Para explicar este fenómeno dedujo que los rayos catódicos estaban
formados por pequeñas partículas con carga eléctrica negativa: LOS ELECTRONES.
4
A Thomsom le fue imposible medir y calcular en forma exacta la masa y la carga del electrón. Sin
embargo, fue capaz de establecer una relación entre ambas.
Relación carga/masa del electrón
e/m = - 1,76·108 C/g
Entre 1908 y 1917 Robert Millikan realizó una serie de experimentos con el propósito de medir
la carga unitaria del electrón. En su trabajo Millikan, analizó el movimiento de minúsculas gotas
de aceite que cargadas eléctricamente con los iones del aire.
Atomizador
Placa
positiva
Gotas de
aceite
Microscopio
Gota
cargada
Placa negativa
Suspendía en el aire las gotas cargadas con ayuda de un campo eléctrico y sus movimientos
fueron monitoreados con un microscopio. Con este procedimiento Millikan encontró que la carga
de un electrón es de -1,6022·10-19 Coulomb.
Con este dato pudo establecer su masa, de la siguiente forma:
MASA =
MASA =
-1,6022·10-19 C
= 9,10·10-28 gramos
-1,76·108 C / g
CARGA
(Coulomb)
ELECTRÓN
CARGA
CARGA/MASA
-1,6022·10
MASA (u.m.a.)
MASA (Kg)
1/1837
9,11·10-31
-19
5
DESCUBRIMIENTO DE LOS PROTONES
En 1886 Eugen Goldstein, utilizando un cátodo perforado, descubre un haz visible que se
desplazaba de polo positivo a negativo: LOS RAYOS CANALES.
En sus experimentos con gases en tubos de descarga con cátodos perforados, Goldstein descubrió
que además del haz de electrones, se producía una radiación de partículas positivas en dirección
opuesta, que lograban atravesar el cátodo perforado.
1.
2.
3.
4.
5.
ánodo
rayos catódicos
cátodo perforado
rayos canales
pantalla fluorescente
Investigando la desviación de las partículas positivas con un campo magnético, encontró que la
masa de ellas no era constante, vale decir, diferentes gases generaban partículas positivas de
masa distinta (rayos canales). Así aquellas partículas más livianas de los rayos canales
correspondían al elemento de masa menor, el hidrógeno. Otro dato muy importante es que la
carga de los rayos canales era exactamente la misma, en valor absoluto, que la de los rayos
catódicos, a pesar de la enorme diferencia de sus masas. En efecto la masa del protón es casi
unas 1840 veces mayor que la del electrón.
CARGA
(Coulomb)
PROTÓN
+1,6022·10
MASA (u.m.a)
MASA (Kg)
1
1,6725·10-27
-19
Considerando que:
1 u.m.a. = 1,67·10-24 g
A mediados de 1920, un científico inglés llamado Ernest Rutherford observó que la suma de las
masas de los electrones y protones en un átomo era bastante menor a su masa total, casi la
mitad del valor observado. Intentando aclarar los resultados obtenidos postuló lo siguiente:
Existe aparentemente una nueva partícula subatómica… el NEUTRÓN
Esta partícula posee carga eléctrica cero (es neutra) puesto que no fue detectada en los
experimentos con tubos de descarga.
Posee una masa similar a la del protón y se encuentra situada en el núcleo del átomo.
6
Posteriormente en 1932 James Chadwick, notable físico inglés, detectó esta partícula subatómica
en estudios de reacciones nucleares. Las características observadas coincidieron con las
mencionadas por Rutherford, así que por tanto el nombre de neutrón se mantuvo.
NEUTRÓN
CARGA
(Coulomb)
MASA (u.m.a)
MASA (Kg)
0
1
1,675·10-27
7
TEST EVALUACIÓN MÓDULO 01
1. Si un átomo neutro presenta 5 electrones, es correcto afirmar que tiene
A)
B)
C)
D)
E)
5 neutrones.
más de 5 protones.
sólo 5 protones.
sólo 10 neutrones.
entre protones y neutrones 5 partículas.
2. A la luz de los experimentos realizados por Joseph Thomsom en los tubos de rayos catódicos,
se infiere que éstos tienen
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
energía cinética.
carga eléctrica.
naturaleza ondulatoria.
Sólo III.
Sólo I y II.
Sólo I y III.
Sólo II y III.
I, II y III.
3. De las siguientes partículas y ondas, la única que aporta masa significativa al átomo es
A)
B)
C)
D)
E)
fotón.
protón.
rayo X.
electrón.
quarks.
4. Un elemento químico presenta igual cantidad de protones y neutrones y entre ambas
partículas suman 16 unidades. Respecto de lo anterior, es correcto afirmar que
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
el átomo contiene 8 electrones.
cada átomo de la especie tiene Z igual a 16.
la relación (protón / electrón) tiene valor 8.
Sólo I.
Sólo II.
Sólo III.
Sólo II y III.
I, II y III.
5. Si un elemento X presenta 3 protones en su núcleo y otro elemento Y sólo 2 protones,
entonces es correcto afirmar que
A)
B)
C)
D)
E)
X es un átomo más positivo que Y.
Y tiene más electrones que X.
Y tiene 3 neutrones y 3 electrones.
X tiene más electrones que Y.
X e Y tienen igual cantidad de neutrones.
8
6. ¿Qué similitud presenta(n) entre sí protones y electrones?
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
intensidad de carga eléctrica.
ubicación dentro del átomo.
masa calculada.
Sólo I.
Sólo III.
Sólo I y III.
Sólo II y III.
I, II y III.
7. El Neutrón…
A)
B)
C)
D)
E)
no presenta carga eléctrica ni masa.
es una partícula subatómica.
es una onda electromagnética.
es un átomo sin electrones.
se compone de 1 electrón y 1 fotón.
8. Si una partícula cargada eléctricamente migra hacia un metal que actúa de cátodo, sería
posible inferir correctamente que la (el)
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
partícula es un anión.
cátodo está cargado negativamente.
partícula y el electrodo presentan distinta carga eléctrica.
Sólo I.
Sólo I y II.
Sólo I y III.
Sólo II y III.
I, II y III.
9. En las bombillas eléctricas (ampolletas) el filamento conductor es de
A)
B)
C)
D)
E)
Oro
Plata
Flúor
Bronce
Tungsteno
10. En un tubo de Crookes al electrodo positivo se le denomina
A)
B)
C)
D)
E)
ion.
catión.
anión.
ánodo.
cátodo.
9
11. Si el elemento Nitrógeno presenta 7 protones en su núcleo, entonces
A)
B)
C)
D)
E)
es un anión.
debe tener 5 electrones orbitando.
sólo puede tener 7 neutrones.
presenta 14 partículas subatómicas.
posee más electrones que 5B.
12. La electrolisis del agua genera como producto los gases que la componen, estos debieran ser
A)
B)
C)
D)
E)
O 3 y H+
H2 y HH2 y O2
H2O(v) y H2O(g)
O2 - y H 2 +
13. La relación correcta entre carga, ion y electrodo al que migra el ion es
A)
B)
C)
D)
E)
Θ
⊕
⊕
Θ
Θ
→
→
→
→
→
ánodo
catión
catión
catión
anión
→
→
→
→
→
anión.
ánodo.
cátodo.
ánodo.
cátodo.
14. El siguiente modelo atómico para un elemento presenta
I)
II)
III)
A)
B)
C)
D)
E)
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
Sólo
8 protones.
16 partículas subatómicas.
carga eléctrica -8.
I
II.
III.
I y II.
II y III.
10
15. Seleccione la única respuesta correcta
A)
B)
C)
D)
E)
los electrones no presentan masa.
la corriente eléctrica es un flujo de neutrones.
la masa de 1 protón y 1 electrón es la misma.
todos los electrones presentan la misma órbita en torno al núcleo.
la masa de un protón es similar a la de un neutrón.
DMON-QM01
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