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UNIDAD 11 LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
ÁTOMOS, IONES Y MOLÉCULAS.
Introducción
Modelos atómicos.
Modelo de Dalton.
Modelo de Thomson.
Modelo de Rutherford.
Modelo de Bohr
Número atómico, número másico
Niveles electrónicos. Llenado de niveles y subniveles
Sistema periódico
Enlace
Enlace iónico
Enlace covalente
Enlace metálico
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
Introducción
Ya en el siglo VI a.d.J.C. los filósofos del Asia Menor se preguntaban : ¿De qué está
hecho el mundo? Y las primeras respuestas fueron que todo estaba hecho por un único
material, que podía ser el agua , el aire , la tierra o el fuego, el cual podía adoptar
diferentes estados y dar lugar así a la gran diversidad de la materia.
Pero lo más importante era explicar la estructura del mundo. Esto llevaba a dos
posibilidades:
la materia era continua y homogénea
estaba formada por partículas
En el Siglo V a. C., los filósofos griegos Leucipo y Demócrito propusieron que la
materia no podía dividirse indefinidamente sino que al final de la división llegarían a
unas partículas muy pequeñas: los átomos (La palabra griega átomo άτομος significa
“indivisible”).
Tuvieron que transcurrir más dos mil años hasta que se sentaran las bases de la
química moderna con la introducción de la Teoría atómico-molecular, cuya base ya
es experimental.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
Modelo atómico de Dalton
El inglés John Dalton en 1805 fue el primer científico que
introdujo el concepto de átomo.
Las ideas fundamentales de Dalton pueden resumirse en los
siguientes puntos, conocidos como postulados de Dalton:
•
Los elementos están compuestos de partículas extremadamente pequeñas
llamadas átomos
• Todos los átomos del mismo elemento son iguales entre sí en masa y
propiedades
•
Los átomos de elementos diferentes difieren entre sí
en masa y propiedades
• Los átomos de distintos elementos pueden unirse entre
sí, en unas proporciones constantes, formando una
estructura que él denominó átomos compuestos y que
nosotros conocemos actualmente como moléculas.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
•
ÁTOMO: Partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades
•
ELEMENTO: Sustancia que está formada por átomos iguales
• COMPUESTO: Sustancia que está formada por átomos distintos
combinados en proporciones fijas.
La teoría de Dalton fue rápidamente aceptada por la comunidad científica, y se mantuvo en
vigor hasta finales del siglo XIX.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
Modelo atómico Thomsom
La teoría atómica de Dalton resultó al principio de gran utilidad para explicar el
comportamiento de las sustancias en las reacciones químicas. Sin embargo, años más
tarde, se produjeron una serie de descubrimientos que demostraron que los átomos no
eran indivisibles ni tan sencillos como había pensado Dalton.
El primer descubrimiento interesante fue hecho por el físico
inglés J. J. Thomson, entre los años 1898 a 1903, cuando
estudiaba la descarga eléctrica que se producía dentro de
tubos al vacío.
Thomson encontró que cuando se aplicaba un voltaje
suficientemente alto entre dos electrodos , se producía un rayo
de luz de colores al que llamó rayos catódicos. Estudios
cuidadosos de estos rayos demostraron que estaban formados
por partículas cargadas negativamente y a las que se llamó
desde entonces electrones.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
En la figura aparece un esquema del tubo de descarga. En él hay dos placas
metálicas A y C dentro de una ampolla de cristal en la que se ha hecho un vacio
casi perfecto mediante una bomba de vacio.
Al cerrar el interruptor se observó que la corriente circulaba por el circuito y
aparecía una extraña "fluorescencia" en la pared de vidrio situada frente al cátodo.
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MODELOS ATÓMICOS
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
MODELOS ATÓMICOS
¿A qué se debía dicha fluorescencia?
La interpretación no se hizo esperar. Las partículas que procedían del cátodo salían
despedidas en línea recta hasta chocar con el vidrio del tubo, y allí provocaban una
fluorescencia. Como eran una especie de rayos, se les llamó:
"los rayos catódicos".
Analizando con detalle estos rayos, Thomson pudo comprobar que estaban
formados por partículas de un tamaño extremadamente pequeño, y puesto que
dirigían su trayectoria desde el polo negativo al positivo, deberían tener carga
negativa.
A estas partículas de les dio el nombre de electrones
El descubrimiento de los electrones demostró que los átomos no eran indivisibles,
tal y como se creía hasta esa época. Además, puesto que la materia era neutra, era
necesario que existiera "algo" con carga eléctrica positiva que compensara la
negatividad de los electrones. Por tanto los átomos debían dividirse en dos partes
bien diferenciadas con cargas eléctricas opuestas.
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MODELOS ATÓMICOS
Modelo atómico de Thomson
Thomson propuso el modelo atómico que lleva su nombre, según el cual el átomo
estaba constituido por una nube difusa, toda ella con carga positiva, en cuyo interior
se encontraban los electrones negativos a modo de pasas dentro de un pastel,
dando como resultado un conjunto eléctricamente neutro.
Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de
fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha, por ejemplo,
la formación de iones positivos y negativos. Además
quedaba justificada la existencia de esa luminosidad
encontrada en los tubos de descarga.
Los electrones de los átomos pueden intercambiarse con relativa facilidad;
así cuando un átomo pierde uno o varios electrones la especie resultante
quedaría cargada positivamente (ión positivo o catión), mientras que si el
átomo los gana se produciría una especia con carga negativa (ión negativo o
anión).
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MODELOS ATÓMICOS
Después del descubrimiento del electrón, sólo faltaba localizar las partículas
constituyentes de la nube difusa positiva postulada por Thomson en su modelo.
En 1.866 Goldstein había observado que si en un tubo de rayos
catódicos modificado, se utilizaba un cátodo perforado con
pequeños orificios, en la parte posterior aparecía una
fluorescencia que debía de ser ocasionada por rayos
procedentes del ánodo.
Se llamaron rayos anódicos y debía de tratarse de las buscadas
"partículas de electricidad positiva".
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El modelo atómico de Rutherford
En 1911 Rutherford y sus colaboradores idearon un experimento
que revolucionó el concepto de materia.
El experimento consistía en bombardear una finísima lámina de
oro con partículas radiactivas de carga positiva llamadas
partículas alfa, estas partículas radiactivas provenían de un
nuevo mineral, de propiedades extraordinarias, que se había
descubierto por aquella época: el radio.
Según el modelo de Thomson, la carga positiva
y los electrones del átomo se encontraban
dispersos de forma homogénea en todo el
volumen del átomo.
Como las partículas alfa poseen una gran
masa unas 8.000 veces mayor que la del
electrón, y gran velocidad unos 20.000 km/s,
Rutherford esperaba que el fino haz de
partículas debería poder atravesar la lámina sin
sufrir desviaciones significativas en su
trayectoria.
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MODELOS ATÓMICOS
Pero Rutherford observó que al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200
átomos de espesor, un pequeño porcentaje de partículas se desviaban,
aproximadamente una de cada 8.000 partículas.
En palabras de Rutherford ese
resultado era "tan sorprendente como
si le disparases balas de cañón a una
hoja de papel y rebotasen hacia ti".
¿a qué podría deberse esta desviación?
Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la
hoja metálica, indicaría que gran parte del átomo estaba vacío. Y el rebote de las
partículas alfa era debido a la interacción con una zona fuertemente positiva del átomo y
a la vez muy densa.
El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los
átomos poseen electrones. Pero para explicar sus descubrimientos, propuso un modelo
de átomo que tendría las siguientes características:
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MODELOS ATÓMICOS
Todo átomo esta constituido por un núcleo y una corteza
núcleo
corteza
protones
neutrones
electrones
El núcleo, muy pesado, y de muy pequeño volumen, está formado por protones
y neutrones.
La corteza, de gran volumen, está formado por electrones, que giran en órbitas
circulares.
Existe un gran espacio vacío entre el núcleo y la corteza.
El aspecto más importante de la teoría de Rutherford es la introducción de la idea de
NÚCLEO ATÓMICO
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Número atómico y número másico
¿Qué hace diferentes a unos átomos de otros?.
Como anteriormente hemos indicado, el núcleo atómico está constituido por todos
los protones y todos los neutrones, fuertemente apelmazados en una zona muy
reducida. Como podemos deducir contiene toda la carga positiva y, prácticamente,
toda la masa del átomo.
Los átomos de un elemento se distinguen de los de otro elemento por el número de
partículas que los forman, de ahí la importancia de utilizar dos números que pongan
de manifiesto esta diferencia. Estos números se denominan: Número atómico y
Número másico.
El número atómico, representado por Z, nos indica el número de protones que tiene
el núcleo. Como el átomo es eléctricamente neutro, este mismo número también
coincide con el número de electrones existentes en la corteza.
El número másico, representado por A, nos indica el número total de partículas
existentes en el núcleo, esto es protones y neutrones.
Número
másico
Número
atómico
Número másico A = 12
Número atómico Z = 6
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MODELOS ATÓMICOS
El modelo de Bohr
El modelo atómico de Rutherford fue perfeccionado por su discípulo Neils Bohr
En este modelo los electrones no pueden girar en
cualquier órbita alrededor del núcleo, sino que se sitúan
en órbitas circulares de energía fija.
Estas órbitas se llaman niveles de energía y tiene unos
valores determinados.
Cuando un electrón pasa de un nivel de energía superior
a otro inferior, la diferencia de energía se emite en forma
de luz; los fotones.
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MODELOS ATÓMICOS
Niveles electrónicos
La energía en los subniveles crece en la secuencia:
Nivel n
1
2
3
Subnivel
s
s
p
s
p
d
s
p
d
f
Electrones
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
Electrones total
2
8
4
18
32
Para indicar el nivel de energía de los electrones se emplean unos números llamados
números cuánticos: “n” indica el nivel y “l” el subnivel
Los niveles, que puede tener valores de:
n=1
n=2
n = 3 n = 4….
aumenta la energía
A su vez, cada nivel puede estar dividido en subniveles y cada uno de ellos puede
albergar un número máximo de electrones. Los subniveles “l” que se designan con
letras.
l=0
l=1
l= 2
l= 3
se llama s
se llama p
se llama d
se llama f
Aumenta la
energía
subnivel
subnivel
subnivel
subnivel
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MODELOS ATÓMICOS
Llenado de niveles y subniveles
Los electrones van llenando los niveles y subniveles siguiendo un orden de energía
creciente que se resume en el siguiente esquema:
1s2
2s2
2p6
3s2
3 p5
Nivel 3
n= 3
El Na
subnivel p
l=1
Z = 11 que tiene 11 electrones
1s2 2s2 2p6 3s1
3p6
4s2
5 electrones
3d10
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SISTEMA PERIÓDICO
Durante el siglo XIX, y a medida que avanzaba el conocimiento sobre los elementos
químicos, se observó que algunos de ellos tenían propiedades semejantes. Los
científicos de aquella época comenzaron a clasificarlos según sus propiedades físicas y
químicas.
Vamos a comenzar haciendo un recorrido histórico de dichas clasificaciones.
1 817
Johann W. Döbereiner observó que algunos elementos como el
calcio, el estroncio y el bario tenían un comportamiento químico
similar. Lo mismo ocurría con el cloro, bromo y yodo. A cada uno
de estos grupos de tres elementos se les llamó tríadas.
Hasta mediados de siglo llegaron a identificarse unas 20 tríadas.
1 864
Jonh Newlands ordenó los elementos conocidos según su masa
atómica, y observó que cada ocho elementos, se presentaban
propiedades semejantes.
Esta característica le recordó a las escalas musicales y por ello
denominó a su descubrimiento “ley de las octavas”
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
SISTEMA PERIÓDICO
1.869
El químico ruso Dimitri Mendleiev, dispuso los elementos en orden
creciente de sus masas atómicas y comprobó que los que tenian
propiedades semejantes aparecían de forma periódica en su lista.
….las propiedades de los elementos son función de las masas
atómicas de los elementos…
Según esto, Mendeleiev ordenó en una tabla los 63
elementos conocidos entonces, y resultó que los que
coincidián en una misma fila tenian propiedades
semejantes.
Algunos elementos no cumplían esta regla y no dudó en alterar el orden
para colocarlos en el lugar que deberían ocupar según las propiedades que
presentaban. También dejó algunos huecos porque supuso que le faltaban
algunos elementos que en aquellas fechas aún no habían sido
descubiertos.
1.870
Casi al mismo tiempo, Julius Lothar Meyer en un artículo
publicado en 1870 presentó también su descubrimiento de la
ley periódica que afirma que las propiedades de los elementos
son funciones periódicas de su masa atómica.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
SISTEMA PERIÓDICO
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
SISTEMA PERIÓDICO
1 911
Moseley propuso ordenar los elementos por orden creciente de su
número atómico
Hoy ordenamos los elementos basándonos en el valor de su número
atómico, no de su masa atómica, es decir, los elementos están
ordenados según el número de protones del núcleo.
Todos los elementos están distribuidos en filas llamadas PERIODOS y
en columnas llamadas GRUPOS.
En total hay 7 períodos
y 18 grupos.
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SISTEMA PERIÓDICO
Sistema periódico y estructura electrónica
Todos los elementos de un grupo tienen el mismo número de electrones en su última
capa. Se llaman electrones de valencia y determinan el comportamiento químico del
elemento y sus propiedades
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SISTEMA PERIÓDICO
Sistema periódico y propiedades periódicas
Todos los elementos de un grupo tienen el mismo número de electrones en su última
capa. Se llaman electrones de valencia y determinan el comportamiento químico del
elementos y sus propiedades.
Radio atómico.
El radio atómico aumenta de arriba a abajo dentro de un mismo grupo, ya que
aumenta el número de capas internas y por lo tanto será de mayor tamaño, y
disminuye de izquierda a derecha en un mismo período debido a que los electrones
se van colocando en el mismo nivel, a la misma distancia del núcleo aproximadamente,
pero la fuerza de atracción entre los electrones y el núcleo es más fuerte, por tanto, el
volumen es menor.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
SISTEMA PERIÓDICO
Propiedades eléctricas
Los elementos situados a la izquierda de una diagonal formada por B, Si, Ge, As y Te,
son conductores de la electricidad y se llaman metales. Son elementos con pocos
electrones en la última capa, que tienen tendencia a perderlos para adquirir configuración
electrónica de gas noble, quedándose por tanto, cargados positivamente formando
cationes.
Los elementos de la derecha no son conductores y se llaman no metales. Son
elementos con muchos electrones en la última capa y que tienen tendencia a ganar más
electrones para completarla, cargándose entonces negativamente formando aniones.
Los elementos de la diagonal se llaman semimetales. La clasificación no es tan clara en
las proximidades de la diagonal.
El elemento más metálico. Los electrones de
valencia están más libres para poder
conducir la electricidad
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EL ENLACE QUÍMICO
Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas
por átomos unidos. Cuando dos o más átomos se acercan, experimentan fuerzas
atractivas o repulsivas y puede dar lugar a un enlace. El enlace tiene naturaleza
electrostática.
¿Por qué se unen los átomos?
Los átomos se unen porque, al estar unidos adquieren una situación más estable que
cuando estaban separados.
Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que
poseen los átomos en su última capa o nivel es igual a ocho, estructura que coincide con
la de los gases nobles.
Cuando los átomos se unen pueden formar moléculas o cristales
Tipos de enlaces
Existen tres tipos principales de enlaces
químicos:
enlace iónico
enlace covalente
enlace metálico
Estos enlaces, al condicionar las propiedades de las sustancias que los presentan,
permiten clasificarlas en: iónicas, covalentes y metálicas.
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EL ENLACE QUÍMICO
El enlace iónico
Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos, se encuentran
con átomos no metálicos.
En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal,
transformándose en iones positivos y negativos respectivamente. Al formarse
iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando
fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas
las llamamos enlaces iónicos.
Ejemplo: La sal común se forma cuando los átomos del gas cloro Cl se ponen
en contacto con los átomos del metal sodio Na.
http://www.youtube.com/watch?v=QqjcCvzWwww&feature=player_embe
dded#at=61
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
Propiedades de los compuestos iónicos
Son sólidos a temperatura ambiente y tienen puntos de fusión elevados.
En estado sólido no son buenos conductores de la
electricidad ya que los iones están fijos en la red.
Pero fundidos o disueltos en agua si que conducen
la electricidad.
Son bastante duros y frágiles
Muchos de ellos se disuelven bien en agua
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
El enlace covalente
Los enlaces covalentes son las interacciones que mantienen unidos entre sí los a
los átomos de elementos no metálicos
Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de
valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir
la estabilidad de la estructura electrónica de gas noble. Por tanto, los átomos no
metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo
opuesto.
En este caso el enlace se forma al compartir un par de electrones entre los dos
átomos, uno procedente de cada átomo. El par de electrones compartido es común
a los dos átomos y los mantiene unidos, de manera que ambos adquieren la
estructura electrónica de gas noble.
Ejemplo: El gas cloro está formado por moléculas Cl2 en las que dos átomos de
cloro se hallan unidos por un enlace covalente
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
Los diagramas de Lewis
Son una forma simbólica de representar los electrones de valencia de un átomos.
Enlace simple
Enlace simple
Enlace doble
Presentan enlace covalente dos tipos de sustancias:
Las sustancias moleculares y
Los cristales covalentes
Enlace triple
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
Propiedades de las sustancias moleculares
Las fuerzas que mantienen unidos a los átomos son muy fuertes
La mayoría son gases
La mayoría son insolubles en agua y no conducen la corriente eléctrica porque no
forman iones y no hay electrones libres.
Propiedades de los cristales covalentes
Los cristales covalentes se forman cuando el enlace se extiende en las tres
direcciones del espacio formándose estructuras cristalinas que tienen gran cantidad
de átomos.
Son compuestos muy estables, muy duros y con elevados puntos de fusión
Son insolubles y no conducen la electricidad, excepto el grafito.
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
El enlace metálico
Para explicar las propiedades características de los metales, su alta conductividad
eléctrica y térmica, ductilidad y maleabilidad, se ha elaborado un modelo de enlace
conocido como modelo de la nube o del mar de electrones:
En general, los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, 1, 2 ó
3. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se
convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Al3+. Los iones positivos resultantes
se ordenan en el espacio formando la red metálica.
Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones
que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los
iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa
que los envuelve y actúa como aglutinante o “pegamento”
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
REL ENLACE QUÍMICO
Propiedades de los metales
Tienen un brillo característico
Son buenos conductores del calor y de la electricidad
Reaccionan con los ácidos desprendiendo hidrógeno
Son dúctiles y maleables
LOS ÁTOMOS Y SUS ENLACES
EL ENLACE QUÍMICO
Cristal iónico
molécula
cristal covalente
cristal metálico