TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA Concepto de materia

I.E. SANTO TOMÁS
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CA-FO-03
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Concepto de materia
Se puede definir el concepto de materia como el componente fundamental de todas las
sustancias, gases, líquidos y sólidos.
Composición de la materia
La materia para que una identificación como tal está compuesta por moléculas, las
cuales son la parte más pequeña en la que puede dividirse esta, de tal forma que la
sustancia retenga su identidad química. Por ejemplo el agua como parte de la materia
su molécula fundamental, está conformada por dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno, si se divide la molécula en sus átomos individuales ya no se tendrá agua sino
átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno. La composición molecular de la materia
tiene tres clasificaciones: Elementos, compuestos y mezclas según el tipo de átomos
que la conforme.
Los elementos
Son moléculas formadas por una sola especie de átomos, por ejemplo el oro pues al
dividir las moléculas de este, solo se encuentran átomos de oro; en general la palabra
elemento hace referencia más al átomo que a la molécula. En la figura se hace una
representación gráfica de una molécula de hidrógeno.
Átomos de hidrógeno
Elemento de hidrógeno
Los compuestos
Poseen moléculas formadas por diferentes tipos de átomos o elementos, por ejemplo la
sal que está formada por un átomo de sodio y otro de cloro,
como se muestra en la figura.
Compuesto: La sal
La composición química de cualquier compuesto, para que
pueda identificarse como tal, nunca varía; en cualquier lugar del
universo la sal para que sea sal siempre tendrá un átomo de
sodio y un átomo de cloro.
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Las mezclas
Están formadas por diferentes tipos de moléculas, que a su vez pueden ser compuestos
o elementos. Las mezclas por procesos químicos pueden descomponerse en sus
componentes iniciales, por ejemplo el agua con sal. El agua pude separarse de la sal,
pero ni el agua ni la sal por separado pueden separarse sin destruir las moléculas.
Molécula de sal
Molécula de agua
Mezcla: agua con sal
El átomo
Hay elementos que son muy activos químicamente y se combinan fácilmente; un
ejemplo de ellos es el sodio. La combinación se logra cuando el elemento es escaso o
posee muchos electrones. En otros casos sucede todo lo contrario los elementos como
los gases inertes o nobles tienen una configuración ideal en el número de electrones y
no se combinan bajo condiciones normales con otros elementos ni siquiera con átomos
de su misma clase. Estos son el Helio (He), el Neón (Ne), el Argón(A), El Criptón (Kr), el
Xenón (Xe) y Radón (Rn), las moléculas de estos átomos son mono atómicas, formadas
por un solo átomo.
Estructura del átomo
Formado por el núcleo que contiene los protones que poseen carga positiva, los
neutrones con carga neutra y otras partículas que son de interés en áreas más
avanzadas de la química (al concepto de carga eléctrica nos referiremos
posteriormente). El núcleo está rodeado por los electrones que poseen carga negativa,
los cuales giran a su alrededor en niveles concéntricos denominados capas que se
nombran con letras del alfabeto así: K, L, M, N, etc. En cuanto a la masa que el protón
posee se dice que es 1836 veces la masa del electrón y junto con los neutrones (que
poseen la misma masa del protón), aportan la masa total del átomo. El peso de un
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electrón es 9.1 * 10‐31 Kg. Debido a la velocidad con que gira alrededor del núcleo el
electrón aporta una considerable energía.
Dentro del estudio de los átomos es importante detenerse en las órbitas atómicas, que
son las que realmente tienen aplicación en la electricidad y la electrónica especialmente
en la capa de valencia. Como ya se había dicho las órbitas
atómicas o capas son las trayectorias que siguen los
electrones alrededor del núcleo, y debido a que la gran
velocidad a la que giran los electrones, tiende a sacarlos
de sus órbitas, se considera que por eso no se pegan al
núcleo. El número de electrones de la capa externa o capa
de valencia, permite establecer las propiedades eléctricas
de un elemento, indicándonos si es un conductor,
semiconductor o aislante. Por ejemplo el cobre solo tiene
un electrón en su capa de valencia, el cual por estar más
alejado del núcleo es más fácil de arrancar de su órbita
por una acción eléctrica; lo contrario ocurre cuando la
capa de valencia está muy nutrida de electrones, la fuerza
combinada de atracción es más intensa y es difícil extraer
electrones, lo cual hace del material un aislante. Algunos
elementos pierden fácilmente electrones convirtiéndose en
iones positivos, estos se conocen como elementos
electropositivos; el elemento electronegativo es aquel que
adquiere uno o más electrones convirtiéndose en un ión
negativo. Luego el número de electrones que un átomo
pierde o gana o comparte se conoce como valencia del
elemento.
Los electrones de la capa exterior se llaman electrones de
valencia. De esta forma los elementos son mono, di, tri,
tetra, penta, hexa o heptavalentes, según que el número
de electrones de valencia sea 1,2, 3, 4, 5, 6, 7. Cuando en
una capa falta un electrón se dice que hay un hueco,
ejemplo el sodio es un elemento electropositivo, el cloro
electronegativo y el silicio se combina con otros elementos
por medio de enlaces covalentes.
Un hueco puede considerarse como la ausencia de un
electrón, donde normalmente debía encontrarse o como
portador de carga positiva, mientras que un electrón es un
portador de carga negativa.
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División de los elementos según su capacidad conductora
Elementos conductores
Un conductor es un elemento que posee en su última
capa pocos electrones lo que hace posible que estos
puedan ser removidos fácilmente a través de un
proceso energético.
De forma técnica un conductor es un elemento que
proporciona un flujo continuo de electrones cuando
es sometido a un proceso energético. Esta capacidad
de dejar fluir los electrones se denomina
conductividad y entre mayor sea esta, mejor es el
conductor; ejemplos de elementos conductores son el
oro, la plata y el cobre, de los cuales el más usado es el cobre por ser de bajo costo.
Elementos semiconductores
Un semiconductor es un material, cuya conductividad eléctrica es intermedia entre la del
conductor y la del aislador. No es ni buen conductor ni buen aislante. Los
semiconductores más conocidos y en los que se basan la mayoría de los elementos
electrónicos son el germanio y el silicio que presentan una estructura atómica simétrica
y que se ordenan atómicamente formando enlaces covalentes entre si, construyendo
estructuras cristalinas por lo cual en su estado natural solo dejan fluir corrientes
superficiales.
Elementos aislantes
Un aislante es un material que posee en su última capa muchos electrones,
fuertemente ligados al átomo es decir pocos electrones libres, lo cual hace casi
imposible el flujo de electrones a través de ellos. Este tipo de materiales facilitan el
aislamiento eléctrico, el cual consiste en introducir este tipo de materiales entre
elementos conductores a los cuales se les ha aplicado una determinada tensión, para
impedir el flujo de corriente entre ellos. A este tipo de fenómeno se asocia el término
dieléctrico.
Propiedades de los Elementos
La resistencia: Es la oposición que puede presentar el elemento al flujo de la corriente
a través de él y su unidad de medida es el ohmio (Ω). La resistencia está ligada a
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parámetros propios del elemento como la resistividad la cual depende de la
temperatura; También de la forma y el tamaño del material así: R = ρ (l / A) donde Res
la resistencia, ρ es la resistividad a una determinada temperatura, l es la longitud del
material dada en cm y A es el área de la sección transversal dada en cm2. Una
resistencia puede representarse de la siguiente manera:
Cualquiera de los dos símbolos es válido.
La resistividad habla de la oposición al flujo de electrones que presenta el material, la
cual depende de la temperatura y que está dada en ohmios * cm (Ω * cm). La
resistividad medida para los conductores es muy baja y varía entre los 10‐6 a 10‐4 Ω *
cm, a temperatura ambiente. También a temperatura ambiente la resistividad para los
aisladores está entre 1014 y 1022 Ω * cm, y en la misma temperatura en medio de los
dos grupos se encuentran los semiconductores cuya resistividad es de 10‐2 a 109 Ω *
cm.
La inductancia: Es la capacidad que tiene un conductor de inducir tensión sobre sí
mismo, se simboliza con la letra L y está dada por el voltaje inducido al cambio de la
corriente con respecto al tiempo entonces L = E L /(Δi/Δt), donde E L es el voltaje
inducido Δi/Δt es el cambio de la corriente con respecto al tiempo.
La capacitancia: Es la capacidad que posee un elemento de almacenar carga, Se
simboliza con C depende de la tensión aplicada y de la carga almacenada. C = Q / E
donde Q es la carga almacenada y E es la tensión aplicada.
La conductancia: Es la capacidad que tiene un material para conducir la electricidad.
Es la inversa recíproca de la resistencia, se simboliza con G y está dada por G = 1/R o
G = σ (A /l) donde σ es la conductividad y se expresa como el inverso de la resistividad,
entonces σ = 1/ρ.
Carga eléctrica
Se define como el estado de electrización de un cuerpo, se simboliza con Q. Lo que
significa es que el cuerpo a nivel atómico ha perdido o ganado electrones, si la
diferencia entre el número de protones y el número de electrones es positivo se dice
que el cuerpo está cargado positivamente, si ocurre lo contrario se considera al cuerpo
cargado negativamente o con estado de electrización negativa. La unidad de medida de
la carga en el sistema internacional es el COULOMB, un Coulomb = 6.25 x 1018
electrones y la carga de un electrón es –1.602 x 10‐19 Coulombs, la carga de un
electrón es la cantidad de carga más pequeña disponible.
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El campo electrostático
Todo objeto cargado está rodeado de un campo electrostático que es la manifestación
de la capacidad que tiene el cuerpo para ejercer una fuerza debido a su carga eléctrica.
En dos cargas de polaridad opuesta que se acercan, el campo electrostático se
concentra entre las cargas.
Entre dos cargas de la misma polaridad, las líneas de fuerza se repelen manifestando la
fuerza de oposición que existe entre las dos cargas. Siempre que se tienen cargas
estáticas, se hablará de la presencia de campo eléctrico y por lo tanto de la presencia
de energía acumulada en el mismo.
Ejercicio:
Graficar las líneas de fuerza presentes entre dos cargas positivas próximas.
Diferencial de potencial
Debido a la fuerza de su campo eléctrico, una carga eléctrica tiene la capacidad de
efectuar un trabajo, al mover a otra carga por atracción o por repulsión, esta capacidad
que posee una carga para realizar un trabajo se llama potencial. La diferencia de
potencial entonces puede definirse como la capacidad que tienen dos cargas de signo
contrario para mover cargas entre ellas, bien sea cargas positivas o cargas negativas.
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Fuerza electromotriz o fem.
La fuerza electromotriz es la energía que impulsa a los electrones a través de un
conductor. Cuando los electrones fluyen a través de la carga su energía cambia a
alguna otra forma de energía, por ejemplo al fluir de los electrones por la parrilla de una
estufa eléctrica, ellos entregan su energía en forma de calor.
Tensión (E) o Voltaje
Se define como la diferencia de potencial disponible entre dos puntos y su unidad
internacional es el voltio, que se simboliza con la letra V. Un voltio se define como la
necesidad de aplicar un Joule de energía para mover un Coulomb de carga de un punto
a otro, entre los dos puntos existirá una diferencia de potencial de un voltio. De manera
general los diferentes autores le dan a los tres conceptos el mismo significado y por lo
tanto la misma unidad, pero para mayor comprensión nótese que en realidad la
diferencia de potencial habla de la energía estática entre dos puntos donde hay dos
cargas de signo opuesto mientras que la fuerza electromotriz habla de esa energía pero
ya en movimiento y el voltaje es en sí la medida, en una magnitud que es el voltio, de
esa diferencia de potencial.
Corriente
Se define como el movimiento o flujo de electrones a través de un conductor. Para
producirla los electrones deben moverse por efecto de una diferencia de potencial. La
corriente se representa con el símbolo I y la unidad internacional para medirla es el
Ampere es símbolo del Ampere es A.
Un Ampere (amperio) se define como el movimiento de un Coulomb de carga que pasa
por cualquier punto de un conductor durante un segundo, así: I = Q / t donde I es
corriente en amperios, Q es la carga en Coulombs y t es el tiempo en segundos.
Flujo de corriente
El flujo de corriente habla básicamente del sentido en
el que se mueven las cargas a través de un conductor
y que se refieren al movimiento básico de los
electrones o de los huecos de energía positiva que
dejan al salir de sus órbitas. Si se toma un alambre
conductor de cobre y se le aplica una pequeña
diferencia de potencial proveniente de una pila, se
puede observar lo siguiente:
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El potencial negativo de la batería hace que los electrones libres del alambre de cobre,
se muevan hacia el extremo positivo de la fuente; este agrupamiento de electrones
forma la corriente. La dirección que lleva el agrupamiento de electrones (flujo de
electrones), que va del potencial negativo de la fuente al potencial positivo, se le conoce
como el flujo real de la corriente o dirección real de la corriente; al movimiento de los
huecos o niveles de energía positiva que dejan los electrones que va en sentido
opuesto, se le conoce como el sentido convencional de la corriente. El flujo
convencional de la corriente es usado muy comúnmente por los europeos, mientras que
el flujo real, es propio de los norteamericanos. En el análisis de circuitos es conveniente
tener claro cuál de los dos tipos de flujo de corriente se está usando.
Tipos de corriente y tensión
Corriente continua y tensión continuo
La corriente continua (CC) o corriente directa (DC), es la
corriente que se mueve en un circuito en una sola
dirección. La razón es que las fuentes de voltaje tales
como las pilas y baterías mantienen la misma polaridad en
su tensión de salida, proporcionando una corriente en la
misma dirección en el transcurso del tiempo.
Corriente alterna y Tensión alterna
Una fuente de tensión de corriente alterna (C.A.), invierte o
alterna periódicamente su polaridad; por lo tanto la corriente
alterna resultante también invierte periódicamente su
polaridad. La corriente alterna conocida como tal es aquella
que cambia de dirección y magnitud con respecto al tiempo,
formando dos semiciclos, uno positivo y otro negativo,
Corriente continua pulsante
Es la corriente que posee una mezcla de corriente
continua y de corriente alterna por lo cual lo puede ser
clasificada en ninguna de las dos. Por ejemplo las
funciones cuadradas.