tema 3: la materia: propiedades eléctricas y el átomo
Anuncio
TEMA 3: LA MATERIA: PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y EL ÁTOMO 1.- La electricidad: repaso histórico. 2.- Procedimientos para determinar si un cuerpo está cargado. 2.1.- El electroscopio. 2.2.- El péndulo eléctrico. 2.3.- El versorio. 3.- Formas de electrizar un cuerpo. 4.- Las partículas que forman el átomo. 5.- Modelos atómicos. 5.1.- El modelo atómico de Thomson. 5.2.- El experimento de la lámina de oro. 5.3.- El modelo atómico de Rutherford. 5.4.- El modelo atómico de Bohr. 5.5.- El modelo atómico actual. 6.- Átomos, isótopos e iones. 6.1.- Número atómico y número másico. 6.2.- Isótopos. 6.3.- Determinación de la masa de un elemento químico. 6.4.- Iones. 7.- Radiatividad. 7.1.- Aplicaciones de los isótopos radiactivos. 7.2.- Los residuos radiactivos. 1.- LA ELECTRICIDAD: REPASO HISTÓRICO La palabra electricidad procede de la palabra griega elektron que significa ámbar. El ámbar es una sustancia de origen vegetal que producen algunos árboles y plantas. Aunque podemos encontrarlo en varios colores diferentes, el más característico es el amarillo anaranjado. La electricidad es una propiedad que posee la materia (aunque no esté continuamente manifestándose) que observó por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto (año 600 a.C.) al frotar con piel un trozo de ámbar, tras lo cual pudo comprobar que esa sustancia era capaz de atraer trocitos de pluma o de materiales ligeros. Se pensó entonces que el ámbar era el único material que poseía esta propiedad. No fue hasta el año 1600 cuando el médico inglés William Gilbert comprobó que existían otros materiales diferentes al ámbar capaces de atraer trocitos de materiales ligeros tras ser frotados con piel. Así hizo una primera clasificación de los materiales teniendo en cuenta esta propiedad: Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 1 Llamó materiales eléctricos a aquellos materiales que después de ser frotados con piel eran capaces de atraer pequeños trozos de materiales ligeros. Llamó materiales no eléctricos a los que no atraían a pequeños trozos de materiales ligeros después de ser frotados con piel. William Gilbert inventó además un instrumento llamado versorio que detectaba si los materiales eran eléctricos o no eléctricos. El francés Charles du Fay afirma en el siglo XVIII que todos los materiales son eléctricos. Algunos materiales (los que Gilbert llamó eléctricos) atraían trocitos de materiales ligeros al ser frotados con piel (y también se comprobó si eran frotados con lana) y los materiales que no lo hacían (a los que Gilbert llamó no eléctricos) bastaba frotarlos con seda en vez de hacerlo con piel o lana para que fueran capaces de atraer pequeños materiales ligeros. Así Du Fay hizo una clasificación nueva de los materiales y de la electricidad llamando: Electricidad resinosa a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con piel o lana (como el ámbar, de ahí el nombre). Electricidad vítrea a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con seda (como el vidrio, de ahí su nombre). También observó Dy Fay que al acercar dos materiales con el mismo tipo de electricidad se repelían; es decir, intentaban alejarse uno del otro. De la misma manera comprobó que al acercar dos materiales con distinta electricidad se atraían; es decir, intentaban unirse. También en el siglo XVIII, pero un poco más tarde, el científico americano Benjamin Franklin defendió que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados entre sí. Así denominó electricidad positiva a la que poseían los materiales que ganaban fluido al ser frotados con otros materiales y electricidad negativa a la que poseían los materiales que perdían parte de su fluido al ser frotados con otros materiales. 2.- PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR SI UN CUERPO ESTÁ CARGADO Un cuerpo se dice que está cargado cuando está manifestando que posee electricidad. Para determinar si un cuerpo está cargado o no se pueden utilizar los siguientes aparatos: el electroscopio, el péndulo eléctrico y el versorio. 2.1.- El electroscopio Fue inventado por el físico francés Jean Antoine Nollet a mediados del siglo XVIII. Este instrumento consiste en un recipiente de vidrio cerrado con un tapón de corcho que está atravesado por una barra metálica en uno de cuyos extremos (el que queda fuera del recipiente) posee una bola metálica y en el otro extremo (el que queda dentro del recipiente) posee dos láminas también metálicas. Para saber si un material está cargado, basta tocar con él la bola metálica del electroscopio y observar lo que sucede con las láminas. Si estas se separan es porque el material está cargado y si no se mueven es porque el material no está cargado. 2.2.- El péndulo eléctrico Este instrumento, también del siglo XVIII, fue ideado por el físico francés Coulomb y consiste el una bola aislante colgada de un hilo. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 2 Para comprobar si un cuerpo está cargado, primero hay que electrizar la bola del péndulo (en la pregunta siguiente veremos tres formas de hacerlo) y a continuación bastará con acercar el cuerpo a la bola del péndulo. Si esta se mueve significa que el cuerpo que hemos acercado está cargado y si no se mueve es porque no lo está. Si además sabemos la carga del péndulo, podemos averiguar también la carga del cuerpo. Si al acerca el cuerpo al péndulo este se mueve alejándose de él, es porque el cuerpo tiene la misma carga que el péndulo. Si al acercar el cuerpo al péndulo este se mueve acercándose al cuerpo, significa que tienen distintas cargas. 2.3.- El versorio Fue inventado por William Gilbert en el siglo XVII y consiste en una guja metálica clavada a una base y en cuyo extremo lleva un par de aspas. Para averiguar si un cuerpo está cargado basta acercarlo a las aspas del versorio. Si estas se mueven significa que el cuerpo está cargado y si no se mueven es porque no lo está. 3.- FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO Electrizar un cuerpo consiste en conseguir que manifieste que posee electricidad. Hay varias formas de hacerlo: Por frotación: ya hemos visto que determinados cuerpos quedan electrizados al ser frotados con piel o lana (como el ámbar) y el resto al ser frotados con seda (como el vidrio). Por contacto: podemos electrizar un cuerpo al ponerlo en contacto con otro que esté electrizado, además adquirirá la misma carga que la que tenga el objeto que ya estaba electrizado. Por inducción: podemos electrizar un cuerpo acercándolo a otro cuerpo (sin tocarlo) que esté cargado. En este caso la carga del cuerpo que está electrizado atraerá las cargas del signo contrario del cuerpo que queremos electrizar, produciéndose una reordenación de sus cargas que deja electrizado el cuerpo. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 3 4.- LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN EL ÁTOMO Actualmente sabemos que dentro del átomo hay tres tipos de partículas, todas ellas descubiertas en el siglo XIX: Electrones: descubiertos por J. J. Thomson y que tienen carga eléctrica negativa. Protones: descubiertos por Rutherford y con carga eléctrica positiva. Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga eléctrica pero con masa. Además se sabe que los protones y neutrones están formados a su vez por otro tipo de partículas llamadas quarks. 5.- MODELOS ATÓMICOS A lo largo de la historia los científicos han ido describiendo el átomo de distintas maneras, y aunque algunas de las descripciones eran erróneas, proporcionaban información para que se describieran mejor. 5.1.- El modelo atómico de Thomson Thomson describió el átomo como una gran masa de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones. 5.2.- El experimento de la lámina de oro Ernest Rutherford realizó un famoso experimento que le llevaría a elaborar su modelo atómico y a su vez sirvió para invalidar el modelo de Thomson. Rutherford colocó una fina lámina de oro rodeada por una pantalla fosforescente y situó frente a la lámina un bloque de plomo con un orificio y en cuyo interior colocó uranio, un material radiactivo que emite espontáneamente unos rayos denominados alfa (α) de los que se sabía que poseen carga positiva. Los rayos alfa no se ven, pero emiten un destello luminoso al llegar a la pantalla fosforescente, lo que le permitió observar lo siguiente: La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin desviarse (por lo que Rutherford dedujo que el átomo debía ser prácticamente hueco). Algunos rayos alfa atravesaban la lámina pero se desviaban ligeramente (por lo que Rutherford pensó que en átomo debía haber cargas positivas). Algunos de los rayos alfa salían rebotados al llegar a la lámina (por lo que Rutherford dedujo que las partículas debían chocar con algo para salir rebotadas). Estas observaciones le llevaron a desarrollar el modelo atómico que lleva su nombre. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 4 5.3.- El modelo atómico de Rutherford Según Rutherford en el átomo se distinguen dos partes: El núcleo: donde se concentraría casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva; es decir, los protones. La corteza: donde estarían los electrones girando alrededor del núcleo y describiendo órbitas circulares. 5.4.- El modelo atómico de Bohr El científico Niels Bohr matizó de qué manera giran los electrones alrededor del núcleo. Según su modelo, los electrones giran alrededor del núcleo describiendo determinadas órbitas circulares. Lo de “determinadas órbitas” significa que solo pueden girar los electrones a determinadas distancias del núcleo. A cada una de las órbitas que describen los electrones al girar alrededor del núcleo se le llama nivel de energía y cada nivel puede tener un número máximo de electrones (por ejemplo el primer nivel dos electrones, el segundo nivel ocho electrones, el tercer nivel dieciocho electrones…). Ejemplo: dibuja los niveles de energía con los electrones correspondientes de un átomo de oxígeno y otro de sodio. Oxígeno Sodio La diferencia entre el modelo atómico de Rutherford y el modelo atómico de Bohr es que en el modelo atómico de Rutherford los electrones giran alrededor del núcleo a cualquier distancia de él mientras que en el modelo de Bohr los electrones giran a una distancia determinada. 5.5.- El modelo atómico actual Este modelo se debe al físico alemán Edwin Schrödinger, quien afirma que en lugar de encontrarse los electrones en los niveles de energía a cierta distancia del núcleo, existe más de un 90% de probabilidad de encontrar a los electrones en una determinada zona del espacio a la que llamó orbital atómico. Los orbitales atómicos no tienen una forma fija, aunque suelen presentar formas geométricas. Para localizar los electrones de un átomo en los niveles de energía y orbitales atómicos se puede hallar la configuración electrónica de dicho átomo. Para poder escribir la configuración electrónica de un átomo necesitamos saber: El número de electrones que caben en cada nivel de energía: Nivel 1 → 2 eNivel 2 → 8 e- Nivel 3 → 18 eNivel 4 → 32 e- El número de electrones que caben el cada orbital: s → 2 e- p → 6 e- d → 10 e- Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo f → 14 e- Página 5 El orden en el que se van llenando los orbitales: Ejemplo: a) Escribe la configuración electrónica del sodio (Na). Primero consultamos la tabla periódica para saber cuántos electrones tiene un átomo de sodio: 11 e-. Estos once electrones se colocarían así: 1s2 2s2p6 3s1 b) ¿Cuántos niveles de energía posee este átomo? Tres (1s2 2s2p6 3s1). c) ¿Cuántos electrones posee un átomo de sodio en el último nivel de energía? 1 Uno (1s2 2s2p6 3s ). Ejemplo: escribe la configuración electrónica del rubidio (37 e-). 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6 5s1 6.- ÁTOMOS, ISÓTOPOS E IONES 6.1.- Número atómico y número másico El número atómico de un elemento es el número de protones que tiene, y se representa con la letra Z. Ejemplo: busca el número atómico del sodio. Z (Na) = 11 (esto significa que el átomo de sodio tiene 11 protones). El número másico de un elemento es el número de protones más el número de neutrones que tiene, y se representa con la letra A. Así podemos escribir: A = Nº protones + Nº neutrones Observaciones: a) Cuando el átomo de un elemento sea neutro, entonces tiene el mismo número de protones que de electrones. b) El número atómico determina el elemento correspondiente a un átomo dado, dicho de otra manera, todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico o número de protones. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 6 Ejemplo: consulta la tabla periódica y contesta las siguientes preguntas (no olvides justificarlas): a) ¿Cuál es el número atómico del oro? Z (Au) = 79. b) ¿Cuántos protones tiene un átomo cualquiera de oro? Setenta y nueve, ya que el número atómico indica el número de protones que tiene cualquier átomo del elemento en cuestión, en este caso el oro. c) ¿Cuántos electrones tiene un átomo neutro de oro? Setenta y nueve, ya que en los átomos neutros el número de electrones coincide con el número de protones. Notación: representaremos a los átomos utilizando la siguiente expresión ZA X , donde X es el símbolo del elemento, A es como sabemos el número másico y Z el número atómico. Ejemplo: el átomo del cloro se representa 35 17 Cl . 6.2.- Isótopos Se llaman isótopos a los átomos del mismo elemento que tienen distinto número de neutrones. Ejemplo: en la naturaleza existen isótopos de hidrógeno: 6.3.- Determinación de la masa de un elemento químico Para calcular la masa de un elemento necesitamos conocer la masa de cada uno de sus isótopos y la abundancia en la que se encuentran en la naturaleza cada uno de ellos (este dato se dará en tanto por ciento). Una vez conocidos estos datos se aplica la siguiente fórmula: masa 1er isótopo ⋅ abundancia + masa 2º isótopo ⋅ abundancia + ... Masa del elemento = 100 Ejemplo: en la naturaleza existen dos isótopos del cloro (Cl), uno que tiene una masa de 35 u y se presenta con una abundancia del 76%, y otro que tiene una masa de 37 u y se presenta con una abundancia del 24%. ¿Cuál es la masa atómica del cloro? Masa del Cl = masa 1er isótopo ⋅ abundancia + masa 2º isótopo ⋅ abundancia 100 Masa del Cl = 35 ⋅ 76 + 37 ⋅ 24 100 Masa del Cl = 3548 100 Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Masa del Cl = 2660 + 88 100 Masa del Cl = 35,48 u Página 7 6.4.- Iones Un ión es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Al ión que se obtiene añadiéndole electrones se le llama ión negativo o anión, y al ión que se obtiene quitando electrones se le llama ión positivo o catión. Nota: los iones se representan igual que los átomos neutros añadiendo en la parte superior derecha un número y un signo que puede ser “más” o “menos”. El número indica la cantidad de electrones que ha ganado o perdido el átomo. El signo “más” (+) indica que el átomo ha perdido electrones (dicho de otra manera, que ha quedado cargado positivamente) y el signo “menos” (-) indica que el átomo ha ganado electrones (o lo que es lo mismo, que ha quedado cargado negativamente). Ejemplo: Litio (Li, Z (Li) = 3) Li Li + (pierde un electrón) Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Li 2− (gana dos electrones) Página 8 7.- RADIACTIVIDAD La radiactividad o radioactividad es la emisión de energía por la desintegración de núcleos de átomos inestables. Un átomo inestable es aquel que no tiene lleno su último nivel de energía ni tampoco tiene ocho electrones. Este tipo de átomos intentan alcanzar la estabilidad bien desprendiéndose de los electrones de valencia (que son los que tiene en su última capa) o bien captando electrones hasta completar su última órbita. Los núcleos de estos átomos tienen la capacidad de desintegrarse. ¿Por qué se desintegran algunos núcleos atómicos? En los núcleos de los átomos los protones se repelen entre sí (ya que tienen el mismo tipo de carga), tendiendo a que dichos núcleos se rompan. Sin embargo la mayoría de los núcleos atómicos no se rompen, y esto se debe a que entre los neutrones y los protones existen unas fuerzas de atracción llamadas fuerzas nucleares fuertes que lo impiden. Estas fuerzas son mucho más intensas que las de repulsión que existen entre unos protones y otros, pero solo son eficaces cuando las partículas están a poca distancia entre sí. Si un núcleo atómico gana neutrones, por ejemplo bombardeándolo con un haz de neutrones, el núcleo cambia de forma y se hace más grande, pero llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no tiene alcance suficiente para mantener al núcleo unido y se desintegra generando mucha energía. Esta energía se produce en forma de rayos o radiaciones que pueden ser de varios tipos: Rayos α Son rayos formados por dos protones y dos neutrones. Recorren una distancia muy pequeña a través del aire (no más de 8 cm) y tienen poco poder de penetración, de hecho pueden ser frenados por una simple hoja de papel o la piel del cuerpo humano. Sin embrago, si se inhala, ingiere o entra de algún modo en el organismo algún elemento que emite este tipo de rayos (como por ejemplo el polonio-210), puede ser mortal. Rayos β Son rayos formados por electrones procedentes del núcleo. Se producen cuando en el núcleo hay un exceso de neutrones y alguno de ellos se desintegra en un protón más un electrón. Pueden recorrer a través del aire una distancia de hasta 1 ó 2 metros. Son detenidos por unos pocos centímetros de madera o una hoja delgada de metal. Al igual que las partículas alfa, los elementos que emiten este tipo de rayos pueden producir graves daños dentro del organismo. Rayos γ A diferencia de los rayos anteriores, en lugar de estar formados por partículas estos rayos son ondas electromagnéticas emitidas por el núcleo. Pueden recorrer cientos de metros a través del aire y su poder de penetración es muy alto, atraviesan fácilmente la piel y otras sustancias orgánicas, por lo que la exposición a este tipo de rayos puede causar graves daños internos. Son detenidos por una pared de unos 20 mm de plomo o cemento. Radiación por neutrones Este tipo de radiación se produce en la fisión espontánea, y tienen un poder de penetración mayor que el de las partículas gamma, de hecho solo puede detenerla una gruesa barrera de hormigón. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 9 La radiactividad fue descubierta de forma casual por el físico francés Becquerel a finales del siglo XIX, al comprobar que una sal de uranio emitía radiaciones que velaban una placa fotográfica que tenía guarda y protegida por un papel negro. El matrimonio formado por los físicos Pierre Curie (francés) y Marie Curie (polaca) se interesó por el descubrimiento de Becquerel e investigaron hasta que lograron descubrir dos elementos químicos altamente radiactivos a los que denominaron Radio y Polonio. Fisión Fisi ón nuclear El proceso mediante el cual el núcleo de un átomo se divide en dos o más núcleos pequeños se denomina fisión nuclear y desprende una gran cantidad de energía llamada energía nuclear. Para provocar la rotura o división del núcleo de un átomo basta bombardearlo con neutrones. De esta manera se puede producir además la denominada reacción en cadena: el núcleo de un átomo es bombardeado con neutrones y se divide en varios núcleos y otros neutrones sueltos que bombardearán a su vez a los nuevos núcleos que volverán a dividirse y así sucesivamente provocando que se libere una gran cantidad de energía en un tiempo pequeñísimo. Ese es por ejemplo el mecanismo de una bomba atómica (en la que la reacción en cadena es incontrolada y termina provocando una gran explosión) o el que se sigue en las centrales nucleares (donde sí se controla la reacción en cadena). La energía nuclear es actualmente una de las fuentes de energía más importantes. Los elementos más utilizados en las centrales nucleares son el uranio y plutonio (que se utilizan también para fabricar pilas de larga duración como las que se emplean por ejemplo en los marcapasos o en las sondas espaciales). Los principales problemas de las centrales nucleares son: - Que generan residuos muy peligrosos para los seres vivos (pequeñas cantidades de residuo pueden emitir radiaciones peligrosas para la salud humana) y duraderos (algunos como el uranio siguen emitiendo radiación durante miles de años). - Que cualquier fallo en una central puede provocar una catástrofe como la de Chernóbil en 1986. http://www.inza.com/ainoa/nuclear2.swf Además de utilizar los isótopos radiactivos como fuente de energía, también se emplean en investigaciones y experimentos científicos (por ejemplo para determinar la antigüedad de restos arqueológicos) o en medicina (por ejemplo para tratar tumores mediante la radioterapia o para hacer pruebas de contraste). Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 10 Fusión Fusi ón nuclear La fusión nuclear es el proceso contrario a la fisión, consiste en unir varios núcleos atómicos ligeros para formar un núcleo más pesado. El peso del núcleo que se forma es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros porque una pequeña parte de la masa de los átomos ligeros se convierten en energía al unirse. Aunque la cantidad de energía que se produce en este proceso varía según los núcleos que se unen, como un gramo de materia contiene millones de átomos, con poca cantidad de combustible se podría generar mucha energía, por eso se está intentando diseñar máquinas con la que obtener energía de esta manera. La fusión más fácil de conseguir es la del deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos protones y dos neutrones) y un neutrón. Además tanto el deuterio como el tritio son fáciles de conseguir (el deuterio se encuentra en el agua del mar y el tritio se obtiene a partir del neutrón que escapa de la reacción), con lo cual esta sería una fuente inagotable de energía y acabaría con muchos de los problemas energéticos con los que nos estamos encontrando hoy en día. Los problemas que existen para obtener este tipo de energía son: - Por un lado los protones de los núcleos que se quieran unir intentarán repelerse por tener el mismo tipo de carga. Se podría solventar con un acelerador de partículas para provocar un choque entre los núcleos, pero la energía que se necesita para ello sería mayor que la que se obtendría con la fusión. - Otra forma de conseguir la fusión sería calentando el combustible, pero se necesitan temperaturas de cientos de millones de grados para hacerlo, temperaturas que podemos encontrar en la naturaleza solamente en las estrellas (incluido el Sol). FIN DEL TEMA Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 11
