Curso de Química I para Q y TQ Semestre Abril - Julio 2016 Semana 2: teorías atómicas Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Departamento de Química.

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1 Curso de Química I para Q y TQ Semestre Abril - Julio 2016 Semana 2: teorías atómicas Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Departamento de Química Profesor: Danny Balanta Créditos a: Raymond Chang

2 Introducción 2 / 81 Teoría atómica: los griegos Siglo V a. C. Democrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas eternas, pequeñas e indivisibles que llamó átomos y apenas comparables según la forma. A pesar de no ser aceptada por sus contemporáneos (Platón, Aristóteles), se mantuvo. En 1808 el profesor John Dalton formuló una definición precisa de ese concepto.

3 Introducción 3 / 81 Teoría atómica: Dalton (1808) 1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. 2. Todos los átomos de un elemento son idénticos, tienen el mismo tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son distintos de los átomos de otros elementos. 3. Los compuestos están formados por varios átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, el número de átomos presentes es siempre un entero o una relación simple. 4. En una reacción química los átomos solo se separan, se combinan o se unen. Nunca se crean ni se destruyen.

4 Introducción 4 / 81 Naturaleza eléctrica de la materia Muchos científicos durante los siglos XVII y XVIII estuvieron interesados en explicar a que se debe la naturaleza eléctrica de la materia. Rayos catódicos, carga negativa de los rayos. (Goldstein, (carga positiva) 1876; Crookes, 1837-1919) Thomson, Stoney y Millikan hicieron aportes para el descubrimiento del electrón

5 Introducción 5 / 81 Tubo de rayos catódicos

6 Introducción 6 / 81 Tipos de radiación emitida: rayos alfa, beta y gama

7 Introducción 7 / 81 Tipos de radiación emitida: rayos alfa, beta y gama Rayos  : partículas con carga (+), poco poder de penetración, se detienen ante una hoja de papel Rayos  : partículas con carga ( - ), mas penetrantes que los , son detenidos por una lámina de plomo de 1 mm de espesor. Rayos  : no poseen carga, parecidos a los rayos X, muy penetrantes, son detenidos por una lámina de plomo de varios cm de espesor (alta energía)

8 Introducción 8 / 81 Tubo de rayos catódicos Experimento del Tubo de Rayos Catódicos (animación): http://highered.mcgraw- hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=s wf::100%25::100%25::/sites/dl/free/00 72512644/117354/01_Cathode_Ray_ Tube.swf::Cathode%20Ray%20Tube

9 Introducción 9 / 81 Experimento de Millikan de la gota de aceite (1911) Consistió en dejar caer gotas de aceite desde una cierta altura. Las gotas caían por efecto de su peso, debido a la gravedad. Sin embargo, si al mismo tiempo se conectaba un campo eléctrico dirigido hacia arriba se producía una fuerza eléctrica de repulsión que tendía a hacer que la gota se moviera hacia arriba. En función del tamaño de la gota y de la fuerza eléctrica podían ocurrir tres cosas: ¤ Si la fuerza de atracción de la Tierra (el peso) de la gota era mayor que la de repulsión eléctrica, la gota seguía cayendo, aunque a menor velocidad. ¤ Si la fuerza de repulsión eléctrica era mayor que el peso, la gota de aceite invertía el sentido de su movimiento y subía. ¤ Si ambas fuerzas se igualaban la gota permanecía quieta en el aire.

10 Introducción 10 / 81 Experimento de Millikan (1911) Animación en: http://highered.mcgraw- hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::100%::100%::/sites/dl/free/007251 2644/117354/02_Millikan_Oil_Drop.swf::Milikan%20Oil%20Drop

11 Introducción 11 / 81 Modelo de Thomson Llamado “budín de pasas”, fue propuesto por Joseph John Thomson en 1897, al deducir que los rayos catódicos estaban formados por partículas negativas, al no estar cargados no eran átomos, así que eran partículas subatómicas y se les dio el nombre de electrones. Consistía en una esfera de materia no uniforme cargada positivamente, donde se encontraban insertadas las partículas negativas

12 Introducción 12 / 81 Modelo de Rutherford (1908) Para Ernest Rutherford, el átomo era un sistema planetario de electrones girando alrededor de un núcleo atómico pesado y con carga eléctrica positiva. El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo. Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares. La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro.

13 Introducción 13 / 81 Modelo de Rutherford (1908) Radio atómico ~ 100 pm = 1 x 10 -10 m Radio nuclear ~ 5 x 10 -3 pm = 5 x 10 -15 m Experimento Partículas Radioacitivas y Rutherford: http://www.mhhe.com/physsci/chemistr y/animations/chang_2e/rutherfords_ex periment.swf

14 Introducción 14 / 81 Experimento de Rutherford (1911) Consistió en bombardear con partículas alfa (núcleos del gas helio) una fina lámina de metal. El resultado esperado era que las partículas alfa atravesasen la fina lámina sin apenas desviarse. Para observar el lugar de choque de la partícula colocaron, detrás y a los lados de la lámina metálica, una pantalla fosforescente. Las partículas alfa tienen carga eléctrica positiva, y serían atraídas por las cargas negativas y repelidas por las cargas positivas. Sin embargo, la mayor parte de las partículas atravesó la lámina sin desviarse, algunas sufrieron desviaciones grandes y, lo más importante, un pequeño número de partículas rebotó hacia atrás.

15 Introducción 15 / 81 Experimento de Rutherford (1911)

16 Introducción 16 / 81 Experimento de Chadwick (1932) El modelo de Rutherford no lograba resolver esto: se sabía que el hidrógeno contenía un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa He:H debería ser 2:1. Sin embargo, en realidad la relación es 4:1. Se propuso que debería existir otro tipo de partícula subatómica en el núcleo. Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con partículas alfa, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a los rayos Gamma.

17 Introducción 17 / 81 Experimento de Chadwick (1932) Chadwick llamó a los rayos neutrones debido a que se demostró que eran partículas subatómicas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. En el núcleo de helio existen 2p y 2n, mientras que en el núcleo de hidrógeno hay 1p y 0n; por tanto, la relación es 4:1.

18 Introducción 18 / 81 Resumen partículas subatomicas Masa de p = masa de n = 1840 x masa de e -

19 Introducción 19 / 81 Otras partículas subatómicas Existen partículas mas pequeñas que las ya mencionadas. Positrones: es una partícula que posee la misma masa que el e- pero con carga positiva. Neutrino: partícula de masa nula que no tiene carga. Estas partículas pueden constituir gran parte de la materia oscura del universo. Quarks son partículas elementales, que forman al protón, los bariones (como el protón) y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones.

20 Introducción 20 / 81 Otras partículas subatómicas Boson de Higgs: única partícula elemental propuesta por Peter Higgs en 1964. Se usa para explicar el origen de la masa de las partículas elementales. No posee espín, ni carga eléctrica, es muy inestable y se desintegra rápidamente.

21 Introducción 21 / 81 Otras partículas subatómicas

22 Introducción 22 / 81

23 Introducción Ejercicio ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en 14 6 C 6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en 12 6 C 6 protones, 6 (12 - 6) neutrones, 6 electrones

24 Introducción 24 / 81 Isóbaros Son elementos distintos entre sí (con Z diferente que tienen isótopos con el mismo número de masa.. Son muy comunes en los elementos radioactivos y sus propiedades químicas son diferentes.

25 ¡Muchas gracias por su atención!