El documento describe la historia y desarrollo de la teoría atómica desde los filósofos griegos hasta el modelo atómico moderno, incluyendo los postulados de Dalton, las evidencias experimentales de Thomson, Rutherford y otros, y la estructura del átomo con protones, neutrones y electrones. También explica conceptos como moléculas, iones, la tabla periódica y sus propiedades periódicas.

1. IES Padre Feijoo Departamento de Física y Química 3º ESO UD 3 Atomos, Moléculas e Iones

2. Introducción Orígen de la teoría atómica: Grecia (Platón y Aristóteles proponen que la naturaleza es: fuego, tierra, aire y agua). ¿Se puede dividir la materia infinitamente, o hay un límite? Demócrito define el Á TOMO , pero su idea no prevalece pues va en contra de las ideas de los grandes filósofos. Siglo XIX, John Dalton publica una Teoría Atómica significativa basada en 6 postulados fundamentales:

3. Postulados: Todo elemento está compuesto de átomos; En un elemento todos los átomos son idénticos; Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes; Los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas; Los compuestos son combinaciones químicas de más de un elemento; En un compuesto dado el número relativo de una clase de átomos es constante.

4. Postulados: una visión Atomos del Atomos del Compuesto X 2 Y de elemento X elemento Y los elementos X y Y Teoría de Dalton

5. Imágen a escala atómica del átomo Hasta poco tiempo, todas las evidencias para la existencia de los átomos eran indirectas. En los últimos 15 años se ha desarrollado la microscopía electrónica de efecto túnel (STM), la cual es capaz de proporcionar la imágen de átomos individuales sobre superficies sólidas. Imagen de una superficie del semiconductor (arseniuro de galio), GaAs. Se añade color por computadora para distinguir los átomos de galio de los de arsénico. Ga As

6. Leyes de Combinación Química Ley de la Conservación de la Materia La masa total de las sustancias antes y después de una reacción química es la misma Ley de la Composición Constante En un compuesto dado el número relativo y las clases de átomos que lo forman son constantes Ley de las Proporciones Múltiples Si A y B se combinan, las masas de B que se combinan con una masa dada de A están en relación de números enteros pequeños

7. Estructura Atómica: inicios Rayos catódicos y electrones (Thomson, 1897) placas con carga eléctrica (CE) alto voltaje magneto (CM) Trayectorias electrónicas Pantalla fluorescente La relación masa-carga del electrón se determina midiendo los efectos de los campos (CE y CM) sobre el movimiento del haz: r = 1.76x10 8 C/g.

8. Estructura Atómica: inicios Experimento de Millikan (1909) fuente de rayos X rocío de aceite atomizador Visor del microscopio placas con carga elé c trica Midiendo el efecto del voltaje sobre la rapidez de caida de las gotas cargadas, Millikan dedujo la carga del e , q e = 1.60x10 -19 C , y de aquí la masa del mismo, m e = 9.10x10- 28 g .

9. Estructura Atómica: Desarrollo Radiactividad y el átomo nuclear : P. y M. Curie, Rutherford Electron negativo Carga positiva esparcida dentro de la esfera Bloque de plomo Sustancia radiactiva Placas cargadas eléctricamente Placa fotográfica Rayos  Rayos  Rayos  Modelo de J.J.Thomson “ pudín de ciruela”

10. Estructura Atómica: desarrollo Experimento y modelo de Rutherford (1911) Fuente de Partículas  Pantalla Fluorescente circular La mayoría de partículas no se desvian Partículas dispersadas Lámina de oro delgada Haz de partículas átomos de oro núcleo Partículas  incidentes Núcleo de Rutherford

11. Estructura Atómica Moderna Partículas subatómicas: Núcleo : protones (+) neutrones Espacial : electrones (-) 1.602x10 -19 C Propiedades básicas: Masa : unidades de masa atómica (uma)  1 uma = 1.66053x10 -24 g Radio atómico (r at ): angstrom (Å) ;  1 Å = 1x10 -10 m Localización de partículas sub-atómicas protón neutrón r at

12. ¿Qué tan pequeño es un átomo? Supongamos una moneda con un  = 19 mm. ¿Cuántos átomos de Cu se podrían acomodar lado a lado sobre un linea recta a través de su  ?. Respuesta Sabemos que:  Cu = 2.6 Å (relación entre número de átomos y distancia), así que: Esto es, 73 millones de átomos de Cu se pueden colocar lado a lado a lo largo de una moneda de 19 mm de diámetro.

13. Estructura Atómica Moderna Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones, número al cual se le denomina NÚMERO ATÓMICO. Atomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones, y por tanto en su masa, se denominan ISÓTOPOS . El número total de protones más neutrones en el átomo, se denomina NÚMERO DE MASA . Un átomo de un isótopo específico, se denomina NúCLIDO .

14. Estructura Atómica Moderna Algunos de los isótopos del átomo de carbono (C) símbolo nº protones nº electrones nº neutrones 11 C 6 6 5 12 C 6 6 6 13 C 6 6 7 14 C 6 6 8

15. La Tabla Periódica Importantes esfuerzos de observación y clasificación de propiedades de los elementos, culminan en 1869 en el desarrollo de la tabla periódica. Varios elementos exhiben fuertes similitudes, p. ej., Li , Na y K son todos metales suaves y muy reactivos . He , Ne y Ar son gases inertes . El arreglo en orden creciente de su N.A., muestra regularidades periódicas de sus propiedades. Número atómico Símbolo gas inerte metal suave gas inerte metal suave gas inerte metal suave y reactivo y reactivo y reactivo

16. La disposición de elementos en orden creciente de N.A. con elementos teniendo propiedades similares ubicadas en columnas verticales, se conoce como: Tabla Periódica Moderna Metal Metaloide No metal

17. La Tabla Periodica: propiedades Los elementos en una columna de la tabla se conocen como un grupo y, de acuerdo a la IUPAC ( I nternational U nion of P ure and A pplied C hemistry), la nueva convención numera los grupos de 1 a 18 sin designaciones adicionales de A o B . Los elementos de un mismo grupo exhiben similitud en sus propiedades físicas y químicas. Algunos grupos presentan un nombre específico: Grupo Nombre Elementos 1A Metales alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 2A Metales alcalino-terreos Be, Mg, Ca, Sr, Ba,Ra 6A Calcógenos O, S, Se, Te, Po 7A Halógenos F, Cl, Br, I, At 8A Gases nobles (o raros) He, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn

18. Moléculas y Compuestos Moleculares Sólo los elementos de gases nobles se encuentran en la naturaleza como átomos aislados. La mayoría de la materia se compone de moléculas o iones, los cuales a su vez estan formados de átomos . Una molécula es un ensamble de dos o más átomos estrechamente enlazados unos a otros . Para muchos propósitos, el ensamble de átomos se comporta como una única entidad de características distintivas .

19. Moléculas y Compuestos Moleculares Moléculas elementales. Dos o más átomos de la misma clase se combinan entre sí . Un caso típico lo constituye el oxígeno, cuyas fórmulas son: O 2 : oxígeno “normal”, esencial para la vida, gas incoloro e inodoro; O 3 : ozono, tóxico, de olor picante e irritante de las mucosas. Los elementos más comunes que existen como moléculas diatómicas son: H 2 N 2 O 2 F 2 Cl 2 Br 2 I 2 5A 6A 7A

20. Compuestos moleculares Compuestos moleculares. Contienen más de un tipo de átomos : por ej., la molécula de agua: H 2 O : combinación de 2 átomos de H y 1 átomo de O, o bien; H 2 O 2 : Hidrógeno y Oxígeno en diferente proporción relativa. Algunas moléculas comunes simples se presentan en el esquema. Es importante observar que: La composición de cada compuesto esta dada por su fórmula química ; Las sustancias aquí mostradas se com-ponen de elementos no-metálicos . Agua, H 2 O Dióxido de carbono, CO 2 Monóxido de carbono, CO Ozono, O 3 Etileno C 2 H 4 Metano CH 4 Peróxido de hidrógeno, H 2 O 2 Oxígeno, O 2

21. Moléculas y Compuestos Moleculares Fórmula Molecular : Indica el número y tipo real de átomos en la molécula. Las fórmulas anteriores son moleculares. Los subíndices son siempre multiplos enteros de los subíndices de las fórmulas empíricas correspondientes. Fórmula Empírica : Indica sólo el número relativo de átomos de cada tipo en la molécula. Aquí, los subíndices indican siempre la relación de números enteros más pequeña. Fórmula Molecular Fórmula Empírica H 2 O 2 HO C 2 H 4 CH 2

22. Moléculas y Compuestos Moleculares Fórmula Estructural : Muestra qué átomos estan unidos a cuales dentro de la molécula . Las líneas entre los símbolos de los elementos representan las uniones químicas entre átomos. Una fórmula estructural no exhibe la geometría real de la molécula, esto es, los ángulos verdaderos a los cuales están unidos los átomos. Sin embargo, se puede representar como un dibujo en perspectiva para dar un sentido tridimensional . Agua Peróxido de hidrógeno Metano

23. Representaciones Moleculares estructural perspectiva modelo esferas

24. Iones y Compuestos Iónicos El núcleo de un átomo permanece inalterado en los procesos químicos, pero el átomo puede ganar o perder electrones con facilidad originando partículas cargadas denominadas IONES . Si la carga es positiva se llama CATIÓN , si la carga es negativa se llama ANIÓN . Sea, por ejemplo, el átomo de sodio: Ahora, el átomo de cloro: pierde un gana un electrón electrón átomo de Na ion de Na + átomo de Cl ion de Cl -

25. Iones y Compuestos Iónicos En general, los átomos de metales pierden electrones con facilidad y los átomos de los no metales tienden a ganar electrones. Dé el símbolo químico completo de: a) un ion con 26 p  , 30 n  y 24 e – ; b) el ion fósforo con 16 n  y 18 e – . a) El elemento con 26 p  (nº atómico = 26) es: Fe , cuyo nº de masa = 26 p  + 30 n  = 56. Hay 2 cargas (+) en exceso, por tanto, la carga neta del ion es 2+ . El símbolo completo será: b) El P tiene un nº atómico de 15, luego entonces tiene 15 p  , y un nº de masa de (15 p  + 16 n  ) 31. Tiene además una carga neta de 18 e – - 15 p  = 3 e – ,o sea 3- , así que el símbolo será:

26. Iones y Compuestos Iónicos Iones Poliatómicos.- Consisten de átomos unidos como en una molécu-la, pero con una carga neta positiva o negativa , p. ej.: ¿Cómo se predicen las cargas iónicas? Se parte de la idea de que la ganancia o pérdida de electrones conduce a un átomo a adquirir una configuración de gas noble , como en el caso del Na y del Cl. Prediga las cargas esperadas para los iones más estables de O y Ba.

27. Iones y Compuestos Iónicos La tabla periódica es una herramienta útil para recordar las cargas de los iones, en especial los de los extremos de la misma . Metales de transición Metales alcalinos (+1) Metales alcalinos (+2) Halógenos (-1) Calcógenos (-2) gases nobles

28. Compuestos iónicos.- Aquellos que contienen iones cargados positivamente y iones cargados negativamente . De la composición podemos saber, frecuentemente, si es compuesto iónico ( constituido por iones ) o molecular ( constituido por moléculas ). Atomo de Na neutro Atomo de Cl neutro pierde un electron gana un electron Iones y Compuestos iónicos

29. Iones y Compuestos Iónicos En general, los metales forman catiónes y los no-metales aniónes. Por tanto, los compuestos iónicos son en general combinaciones de metales y no-metales (p.ej. Na Cl ), en tanto que los moleculares se componen en general únicamente de no-metales ( H 2 O ). ¿Qué especies se espera sean iónicas?: N 2 O , Na 2 O , CaCl 2 y SF 4 . ¿Qué especies se espera sean moleculares?: Cl 2 , FeS y PbF 2 .

30. Iones y Compuestos Iónicos Sólo se pueden escribir fórmulas empíricas para los compuestos iónicos, y si no están en forma iónica, siempre son eléctricamente neutros, así que las cargas deberán estar balanceadas (cruzadas) . ¿Cuáles son las fórmulas empíricas de los compuestos formados por los iones?: a) Al 3+ y Cl - ; b) Al 3+ y O 2- ; c) Mg 2+ y NO 3 -