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ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 1
4º CCNN - 1
1.- Naturaleza eléctrica de la materia.
Cuando Dalton emite su teoría atómica, en 1808, se conocían
ya varios fenómenos eléctricos (electrización por frotamiento,
electrólisis). Sin embargo, a Dalton no le parecieron significativos y
no se le ocurrió asociar la naturaleza eléctrica de la materia con sus
átomos. Sin embargo a lo largo del siglo XIX y principios del XX, se
fueron conociendo una serie de hechos que permitieron deducir la
existencia de una relación entre la materia y la electricidad y que
dejaron anticuado el concepto de átomo, postulado por Dalton, como
partícula indivisible e inalterable. Entre estos hechos destacan los
siguientes:
Los fenómenos de electrización de la materia y las
experiencias realizadas por Faraday referentes a los fenómenos de
electrólisis
El descubrimiento de la radiactividad en 1896 por Becquerel.
El descubrimiento del electrón en 1897 por Thomson.
El descubrimiento del protón en 1911 por Rutherford.
El descubrimiento del neutrón en 1932 por Chadwick.
1.1.- El descubrimiento del electrón
En 1897, el físico J. J. Thomson, observó que
al realizar grandes descargas eléctricas sobre tubos
de vidrio cerrados, a los que se les extraía el aire, y se
introducía un gas a presión reducida (tubo de rayos
catódicos), se emitía una radiación invisible que era
capaz de activar a una sustancia fluorescente y
además presentaba carga negativa (rayos catódicos)
Thomson propuso la siguiente explicación: Los
rayos catódicos están formados por unas pequeñas
partículas a las que llamó electrones y que se
encuentran presentes en cualquier tipo de materia.
Estas partículas tienen carga negativa.
Experiencias posteriores, debidas a R. Millikan entre 1909 y 1913
asociaron al electrón una masa de 9,1. 10
-31
Kg, es decir, 1/1836 la del
átomo de hidrógeno (1 u) y una carga de 1,6. 10
-19
Culombios.
Los electrones (e) representan la carga más pequeña que se
encuentra en la naturaleza. Cualquier otra carga es múltiplo de ella.
El hecho de que el electrón sea mucho más ligero que el átomo
más ligero hace pensar que el electrón sea una parte del átomo.
Por tanto, había que revisar el modelo de átomo indivisible de
Dalton. Si el átomo no era indivisible: ¿cómo era «por dentro»?.
Además, si el átomo es neutro y en su interior hay cargas negativas,
tendría que haber también cargas positivas para neutralizarlas.
UNIDAD 5:
Discontinuidad de la materia:
estructura atómica.
Electrización por frotamiento
 Existen dos tipos de electricidad o
carga eléctrica: positiva y negativa.
 Cargas del mismo signo se repelen
y cargas de signos contrarios se
atraen.
 Los dos cuerpos que participan en
la electrización por frotamiento
adquieren carga eléctrica pero de
signos contrarios.
Tubo de rayos catódicos
El tubo de los televisores es un tubo de rayos catódicos.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 2
4º CCNN - 2
1.2.- El descubrimiento de la radiactividad
Paralelamente a las experiencias de Thomson, en 1986 el
físico A. H. Beequerel descubrió, de forma casual, que un mineral de
uranio emitía continuamente una radiación desconocida, muy
penetrante. El descubrimiento despertó el interés de los científicos,
que dieron el nombre de radiactividad al fenómeno.
Cuando la radiactividad se estudió detenidamente, se observó
que en realidad emitía tres clases de radiaciones. Fueron llamadas
rayos alfa (α), rayos beta (β) y rayos gamma (γ).
El propio Becquerel descubrió que los rayos beta (β) eran
chorros formados por electrones. Por otro lado los Rayos gamma
(γ) son radiaciones de muy alta energía sin masa ni carga.
Las partículas α que constituyen los rayos alfa presentan
carga positiva igual a dos veces la carga del electrón (+2e) y una
masa igual a cuatro veces la masa del átomo de hidrógeno (4u), pero
son bastante más pequeñas que cualquier átomo. De hecho, pueden
penetrar la materia como no pueden hacerlo los átomos.
Todo esto era una prueba más de que el átomo se podía
dividir. Era la primera vez que se detectaba una carga positiva y que
debía asociarse a algún tipo de partícula, lo mismo que la negativa
se asociaba a los electrones.
El descubrimiento del protón y del neutrón.
En 1911 Rutherford descubrió la partícula positiva
constituyente de la materia. Se la llamó protón. Tiene una masa
aproximada a la del átomo de hidrógeno (1u) (~2.000 veces mayor
que la del electrón) y tiene exactamente la misma carga que el
electrón, pero de signo positivo.
¿Faltaba alguna partícula más por descubrir? La había: el
neutrón. Se descubrió mucho tiempo después (Chadwick, alumno
de Rutherford, 1932). No tiene carga, por eso se llama así, y su masa
es muy parecida a la del protón.
Podemos concluir que: la materia está formada por
átomos. A su vez, los átomos están formados por electrones
y protones, en igual cantidad, para que el átomo sea neutro, y
por neutrones.
REPRESENTACIÓN CARGA ELECTRICA MASA
ELECTRÓN e
Negativa (e
-
)
e
-
= - p
+
Prácticamente
despreciable
PROTÓN p
Positiva (p
+
)
p
+
= - e
- 1 u
NEUTRÓN n No tiene 1 u
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 3
4º CCNN - 3
2.- modelos atómicos.
Ya no nos vale el átomo indivisible de Dalton, pero... ¿cómo
son los átomos por dentro?, Los modelos atómicos surgen de dar
explicación a las distintas evidencias experimentales y evolucionan a
medida que lo hacen las observaciones experimentales.
2.1. El modelo atómico de Thomson
En 1904, J.J. Thomson, después de medir las características
del electrón, propuso el siguiente modelo para el átomo: Como la
materia es neutra, El átomo debe ser una esfera cargada
positivamente de forma uniforme, encontrándose los electrones
incrustados en ella como las pepitas de una sandia.
La carga de la esfera positiva coincide con la carga negativa
total de los electrones. Los electrones están unidos a la carga
positiva por fuerzas de tipo eléctrico, como las que mantienen unidos
unos trocitos de papel a un bolígrafo de plástico que ha sido frotado.
Este primer modelo atómico fue aceptado por la comunidad
científica. Sin embargo, esto cambió pronto como consecuencia de la
experiencia del físico E. Rutherford y sus colaboradores.
2.2. Experiencia de Rutherford
La experiencia de E.Rutherford, en 1911, consistía en
bombardear con partículas alfa (partículas positivas) una finísima
lámina de oro; detrás de la lámina se colocaba una placa fotográfica
para estudiar las trayectorias de las partículas. Ocurría lo siguiente:
1. La mayoría de las partículas atravesaba la lámina de oro sin desviarse.
2. Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera
desviación en su trayectoria.
3. Una de cada 10.000 partículas rebotaba y no atravesaba la lámina.
2.3. Modelo de Rutherford
Basándose en el experimento que acabamos de describir,
Rutherford estableció el siguiente modelo atómico:
El átomo estaba formado por un núcleo y una corteza:
• En el núcleo se concentra la carga positiva (protones) y
la mayor parte de la masa del átomo.
• En la corteza, girando alrededor del núcleo, los
electrones. Esta zona ocupa la mayor parte del volumen
atómico.
Modelo de Thomson.
El primer modelo atómico
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 4
4º CCNN - 4
Analicemos cómo explica este modelo la experiencia del
bombardeo de partículas alfa a una lámina de oro:
1. La mayoría de las partículas atravesaban la lámina de oro sin
desviarse. Esto era así porque el átomo está prácticamente vacío; sólo
había algunos electrones girando alrededor del núcleo y la masa de los
electrones es muy pequeña.
2. Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera
desviación en su trayectoria. Las partículas que se desviaban eran las que
pasaban cerca del núcleo, se repelían (ambas tienen carga positiva) y
sufrían una pequeña desviación.
3. Sólo una de cada 10.000 partículas rebotaba y no atravesaba la
lámina. Las partículas que rebotaban eran repelidas por el núcleo. El
tamaño del núcleo era muy pequeño comparado con el tamaño total del
átomo, unas 10.000 veces más pequeño.
Un poco después, en 1920, Rutherford propuso la existencia de
otra partícula en el núcleo. La denominó neutrón, tendría la masa
del protón y carecía de carga. La evidencia experimental de esta
partícula no se tuvo hasta 1932 con los experimentos de Chadwick.
PARTÍCULAS
CARGA
ELÉCTRICA
MASA VOLUMEN
Á
T
O
M
O
CORTEZA electrones
Negativa. De
igual valor
absoluto que el
núcleo
Despreciable
Prácticamente
igual al del
átomo
NÚCLEO
Protones
y
neutrones
Positiva. De
igual valor
absoluto que la
corteza
Prácticamente
igual a la del
átomo
Despreciable
2.4. El tamaño del átomo
Distintas experiencias han permitido medir el tamaño de los
átomos. Considerado como una esfera, el átomo tiene un radio de unos
10-10
m, y el núcleo tiene un radio de unos 10-14
m. De aquí se deduce
que el núcleo es unas 10.000 veces más pequeño que el átomo.
Para hacernos una idea: si el átomo fuera del tamaño de un
campo de fútbol, el núcleo sería como una canica colocada en su
centro, y los electrones, como cabezas de alfiler que girarían
alrededor del campo.
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... NNNAAATTTUUURRRAAALLLEEEZZZAAA EEELLLEEECCCTTTRRRIIICCCAAA DDDEEE LLLAAA MMMAAATTTEEERRRIIIAAA YYY MMMOOODDDEEELLLOOOSSS AAATTTÓÓÓMMMIIICCCOOOSSS...
1) ¿Cómo se llaman los tres tipos de radiaciones que emiten las
sustancias radiactivas? ¿En qué se diferencian unas de otras?
2) Para justificar lo que sucede en los tubos de rayos catódicos, Thomson
no propuso un átomo formado por una esfera cargada negativamente
en la que se incrustan cargas positivas. ¿Por qué no lo hizo?
3) Sabiendo que un átomo de litio tiene tres electrones, haz un dibujo del
mismo según el modelo de Thomson.
4) ¿Según el modelo de Thomson, que le sucede a un átomo que se le
arranca un electrón? ¿Y si se le incrusta el electrón?
5) ¿Qué datos de la experiencia de Rutherford nos hacen suponer que el
átomo está vacío en su mayor parte? ¿Y que hay núcleo?
6) ¿Cuál es la idea fundamental nueva que introduce el modelo de
Rutherford frente al modelo de Thomson?
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 5
4º CCNN - 5
7) ¿Dónde están situados los electrones, los protones y los neutrones en
el modelo de Rutherford?
8) El modelo atómico de Rutherford se suele comparar con un sistema
planetario en miniatura. ¿Qué representaría la tierra en el átomo de
Rutherford? ¿Y el Sol?
9) Sabiendo que el átomo de litio tiene tres electrones, haz un dibujo del
mismo según el modelo de Rutherford. ¿Has podido respetar la escala
en el dibujo?
10) Teniendo en cuenta que los átomos según nuestro modelo son neutros,
¿qué relación habrá entre el número de electrones de la corteza de un átomo
y el número de protones que hay en su núcleo?
11) Un átomo de carbono está formado por 6 protones y 6 electrones. ¿Qué
otras partícula se necesita para explicar el hecho de que su masa
atómica sea 12 u?
3.- Datos de los átomos.
3.1. El número atómico y el número másico.
En los distintos modelos atómicos los átomos se diferencian
por el número de protones, neutrones y electrones. Para identificar el
número de estas partículas, se definen el número atómico y el
número másico.
Se llama número atómico, y se representa por Z, al
número de protones que tiene un átomo en su núcleo, y
coincide con el valor de su carga nuclear.
Z = número de protones
Como el átomo es neutro, este número representa también el
número de electrones.
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de
protones en su núcleo. Así pues podemos decir que un elemento es
una clase de átomos que se caracteriza por tener todos el
mismo número atómico (Z). A cada Z le corresponde un símbolo.
Teniendo en cuenta que la masa de los electrones se puede
considerar despreciable, la masa de un átomo coincide básicamente
con la de su núcleo, (protones + neutrones).
Llamamos número másico, y representamos por A, al
número de protones más neutrones (número de nucleones)
que hay en el núcleo del átomo.
A = número de protones + número de neutrones
Como la masa de protones y neutrones es aproximadamente
igual a la del átomo de hidrógeno (1 u), la masa de un átomo viene a
coincidir en valor con el número másico (de aquí el nombre), pero el
número másico no representa la masa del átomo.
Para representar los distintos tipos de átomos se utiliza:
También se utiliza el nombre del elemento seguido por un
guión y el número másico, ya que a cada elemento le corresponde
un número atómico.
El valor de A es útil, pero no
nos dice de qué elemento se
trata, Lo que identifica el
átomo de cada elemento es Z,
el número de protones. Por
ejemplo, el elemento con Z = 8
es el oxígeno y sólo él.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 6
4º CCNN - 6
Ejemplos:
 Representar un átomo de carbono que está formado por 6 protones, 6
electrones y 8 neutrones.
Ya que su número másico es igual a la suma del número de protones y
neutrones (6 + 8 = 14), lo haríamos de la siguiente forma:
o también Carbono-14.


3.2. Elementos químicos e isótopos
Un elemento químico es una sustancia formada por un solo
tipo de átomos, todos con el mismo Z. Sin embargo, al medir las
masas de los átomos de un mismo elemento, se detecta que existen
átomos que difieren ligeramente en su masa.
Esto es debido a que aunque todos ellos tienen el mismo
número de protones en su núcleo, por ser del mismo elemento,
poseen distinto número de neutrones.
Así, para el elemento químico cloro, nos encontramos con dos
átomos distintos:
35
17Cl,
37
17Cl Ambos átomos son de cloro, no hay duda, ya
que Z = 17. La diferencia está en el número de neutrones que acompañan a
los protones en el núcleo. Por tanto, hay dos variedades de cloro, una con
18 neutrones y otra con 20.
Se denominan isótopos a los átomos de un mismo
elemento que tienen distinto número de neutrones en su núcleo.
La mayoría de elementos químicos están formados por una
mezcla de isótopos: el hidrógeno presenta tres isótopos, el boro dos,
el oxígeno tres, el carbono tres....:
Isótopos radiactivos
Algunos de los isótopos de
muchos elementos son
radiactivos. Las radiaciones que
emiten son empleadas en muchas
aplicaciones prácticas dentro de
los más diversos campos como
pueden ser: en medicina para
destruir tumores, en agricultura,
en la industria, en arqueología...
Los isótopos
«Isótopo» significa «en el
mismo sitio», ya que los átomos
isótopos van colocados en el
mismo lugar de la tabla periódica
por ser del mismo elemento.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 7
4º CCNN - 7
3.2.1. Determinación de la masa de un elemento químico
La mayoría de los elementos químicos presentan isótopos.
Cuando hablamos de la masa atómica de un elemento químico, nos
referimos a la masa de un átomo medio de ese elemento. Para
calcularla, tendremos que tener en cuenta la masa de cada isótopo y
su abundancia en la naturaleza.
Esta es la razón por la que en algunos casos la masa de un
átomo no es un número entero.
Ejemplo:

3.3.- Iones.
Como ya hemos indicado los átomos en estado neutro tienen el
mismo número de protones en su núcleo que electrones en su
corteza. Sin embargo también hemos visto que bajo ciertas
circunstancias, por ejemplo por frotamiento, los átomos pueden
quedar electrizados al ganar o perder electrones de su corteza.
Cuando un átomo gana o pierde electrones, queda
cargado eléctricamente y se le denomina ion.
Si el átomo gana electrones, forma un ion negativo o anión y
tendrá una carga negativa igual al número de electrones ganados.
Si el átomo pierde electrones, forma un ion positivo o catión
y tendrá una carga positiva igual al número de electrones perdidos.
Para representar los iones se indica el valor de la carga del
mismo en la esquina superior derecha del símbolo del elemento.
Ejemplos:
 El Oxigeno cuando gana dos electrones forma el anión Oxigeno:
O=
o O
-2
 El Litio cuando pierde 1 electrón forma el catión Litio:
Li
+1
o Li
+
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... DDDAAATTTOOOSSS DDDEEE LLLOOOSSS ÁÁÁTTTOOOMMMOOOSSS
12)Completa el cuadro siguiente:
Los no metales forman iones
negativos con facilidad.
Los metales forman iones
positivos con facilidad.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 8
4º CCNN - 8
13)Un átomo tiene 17 protones y 18 neutrones. ¿Cuál es su número
atómico? ¿Y su número másico?
14)Analiza los dibujos y completa la tabla.
15)¿Tenía razón Dalton cuando decía que todos los átomos de un mismo
elemento son iguales entre si?
16)¿Por qué los siguientes átomos
39
18 Ar y
39
19K Tienen distinto símbolo?
¿Son isótopos?
17)¿Qué podemos esperar, respecto al comportamiento químico, de átomos
de igual Z y distinto A? ¿Y de átomos de distinto Z e igual A?
18)El neón, de número atómico 10, en la naturaleza tiene dos isótopos uno
de masa atómica 20 u y otro de masa 22 u. ¿En qué se parecen y en
qué se diferencian estos dos átomos? Si se presentan en la naturaleza
en una proporción del 90% del primero y del 10% del segundo, calcula
la masa atómica de Ne.
19)La plata tiene una masa atómica de 107,87 u. Sabiendo que está
formada por dos isótopos de masas atómicas 107 y 109 u,
respectivamente, averigua la proporción en que se encuentra cada
isótopo.
20)En el cobre el 69,1% corresponde al isótopo cobre-63 y el resto al
cobre-65. Calcula la masa atómica del elemento cobre.
21)¿Se pueden obtener iones de un átomo ganando o perdiendo protones
del núcleo?
22)Completa la tabla indicando, en cada caso, el nombre, el símbolo, las
partículas de cada especie y su carga. Busca la información que
necesites en la tabla periódica.
23) Haz un cuadro similar al anterior para los siguientes átomos e iones
(cationes o aniones):
40
20Ca ;
127 -1
53I ;
1 +
1H ;
16
8O ;
31 -3
15P ;
27 +3
13O ;
39 +
19K .
4.- La tabla periódica de los elementos.
Uno de los trabajos que más trascendencia ha tenido en la
evolución de las ideas científicas en el campo de la química, ha sido
la ordenación o clasificación periódica de las sustancias simples y,
de acuerdo con la teoría atómica, de los elementos correspondientes.
A principios del siglo XIX se conocían más de cincuenta
elementos (sustancias simples), algunos de los cuales presentaban
propiedades parecidas. Por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio
tenían características de metales y se combinaban con el agua en
reacciones explosivas. Esto sugirió la posibilidad de ordenar los
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 9
4º CCNN - 9
elementos en grupos con propiedades semejantes, para así
facilitar su estudio. La historia de esta clasificación y ordenación es
compleja y extensa en el tiempo.
La más importante de las primeras clasificaciones y precursora
de la actual, fue realizada a finales del siglo XIX por el científico ruso
Mendeleiev y el alemán Meyer. Esta clasificación situaba los
elementos en orden creciente de masa atómica, pero lo más
destacado de sus trabajos fue que dejaron huecos en la tabla para
los elementos que se pudiesen descubrir posteriormente, e incluso
predijeron las propiedades que estos debían de tener según su
posición en la tabla.
Finalmente, en el siglo XX, se observó que la ordenación de
Mendeleiev tenía algunas irregularidades, pues las propiedades de
algún elemento no respondían a la posición asignada. Se comprobó
que no es la masa atómica la que determina las propiedades de los
elementos sino su número atómico, lo que permitió ordenar los
elementos, en orden creciente de su número atómico, en la tabla
o sistema periódico actual.
La clasificación periódica actual de las sustancias simples y de
los elementos que les corresponden, se conoce como tabla
periódica de los elementos (T.P. o S.P.). Consiste en una
agrupación en filas y columnas de tamaño desigual según el orden
creciente de números atómicos.
 Las columnas se denominan grupos o familias, y en ellas se
encuentran los elementos de propiedades parecidas.
 Las filas horizontales se llaman períodos y a lo largo de cada
uno las propiedades varían gradualmente
 La T.P. consta de 18 grupos: ocho de ellos denominados con
Mendeleiev
Meyer
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 10
4º CCNN - 10
un número y la letra A y otros ocho con la letra B. La nomenclatura
de la IUPAC (Unión Internacional de Química pura y aplicada)
numera los grupos del 1 al 18.
Los grupos A (1, 2 y 13 al18), situados a ambos extremos son
los llamados elementos representativos. Tienen nombre propio.
Los elementos de los grupos B (3 al 12) situados en el centro,
se llaman elementos de transición.
Los elementos que están en la parte inferior de la tabla se
llaman elementos de transición interna, y se denominan
lantánidos y actínidos. Son dos series de 14 elementos que por sus
propiedades ocuparían un solo lugar en la tabla.
 Hay siete períodos (filas), que empiezan siempre con un
metal alcalino y terminan con un halógeno seguido de un gas noble.
 Los elementos se clasifican en metales y no metales:
A grandes rasgos, los metales, que son la mayoría, ocupan la
parte izquierda y central de la tabla y los no metales , la derecha
salvo los gases nobles. Junto a la línea escalonada y más gruesa
que los separa se encuentran los semimetales que presentan
propiedades intermedias entre las metálicas y las no metálicas
METALES NO METALES
 Elevados puntos de fusión y ebullición (todos
excepto el mercurio, son sólidos a temperatura
ambiente)
 Bajos puntos de fusión y ebullición (algunos son
gases a temperatura ambiente).
 Densidades altas generalmente.  Densidades bajas.
 Color y brillo especial, llamado metálico.  No suelen tener brillo, son de diferentes colores.
 Resistencia a la rotura mediante golpes.  Frágiles se rompen fácilmente en estado sólido.
 Se pueden modelar en forma de hilos o chapas.  Los sólidos no pueden formar alambres ni láminas.
 Conducen bien la corriente eléctrica y el calor  No conducen bien la corriente eléctrica ni el calor.
 Forman iones positivos con facilidad.  Forman iones negativos con facilidad.
 El hidrógeno se sitúa a menudo en el grupo 1 de la tabla
periódica, metales alcalinos, aunque la mayoría de sus propiedades
no coinciden con los demás elementos de este grupo. El hidrógeno
presenta propiedades más cercanas a la de los no metales y resulta
más correcto no asociarle a ningún grupo.
 Los gases nobles están situados en el grupo VIIIA (18) y son
muy inertes, es decir, que no se combinan prácticamente con otros
elementos para dar compuestos. A temperatura ambiente, se
presentan en estado gaseoso y su molécula está formada por un
sólo átomo.
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... LLLAAA TTTAAABBBLLLAAA PPPEEERRRIIIÓÓÓDDDIIICCCAAA DDDEEE LLLOOOSSS EEELLLEEEMMMEEENNNTTTOOOSSS
24)Escribe el símbolo y el nombre de los siguientes elementos:
· Los alcalinos. Los halógenos.
· Los gaseosos. los líquidos.
· Los no metales. Los semimetales
· Los gases nobles. El segundo periodo.
25)Clasifica los siguientes elementos como gases nobles, metales, no
metales o semimetales e indica el periodo y grupo al que pertenecen:
· Litio Magnesio Cloro Yodo Oro
· Neón Xenón Carbono Nitrógeno Helio
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 11
4º CCNN - 11
26)A continuación tienes los números atómicos de cuatro átomos
desconocidos. Clasifícalos en metales, no metales y gases nobles, e
indica el periodo y grupo al que pertenecen:
A(Z=6) B(Z=18) C(Z=16) D(Z=20)
27) ¿A qué elemento se parecerá más el azufre (químicamente hablando),
al fósforo o al oxígeno? Explícalo.
5.- Radiactividad.
En general, los núcleos de los átomos no cambian, cuando
estos participan en transformaciones físicas ordinarias o químicas.
Sin embargo, los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos
químicos pueden sufrir cambios que denominaremos reacciones
nucleares y que pueden ser:
• La radiactividad: La pérdida, ganancia o trasformación de
algunas partículas de su núcleo.
• Fisión nuclear: La rotura de un núcleo para dar otros núcleos
más pequeños.
• Fusión nuclear: La unión del núcleo de dos átomos pequeños
para dar un núcleo mayor:
Cuando los átomos de un elemento sufren uno de estos
procesos, se convierten en átomos de un elemento químico diferente.
5.1.- Radiactividad
Es el proceso que experimentan algunos núcleos atómicos que
les lleva a emitir radiación. Esta puede ser de tres tipos:
Se llaman isótopos radiactivos los que emiten estas radiaciones.
5.2.- Fisión nuclear
Algunos núcleos de isótopos radiactivos de elementos con
átomos muy grandes, como el uranio o el plutonio, se rompen para
dar núcleos de átomos más pequeños.
El proceso de fisión nuclear se inicia al bombardear el núcleo
grande con partículas, como neutrones, que hacen que el núcleo se
parta formando núcleos de átomos de tamaño intermedio. Además
de núcleos más pequeños, se liberan también neutrones que son
capaces de romper otros núcleos grandes, en lo que se denomina un
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 12
4º CCNN - 12
proceso en cadena. En estas acciones se libera una gran
cantidad de energía, denominada energía nuclear, que se
aprovecha en las centrales nucleares para obtener energía eléctrica.
Esta energía también es la responsable del efecto devastador de las
bombas atómicas y de los misiles nucleares.
5.3.- Fusión nuclear
Algunos núcleos de átomos muy pequeños se pueden unir para
dar núcleos de átomos mayores.
Dos átomos de hidrógeno (sus isótopos deuterio o tritio)
pueden unir sus núcleos y convertirse en un átomo de helio. Este
proceso, que tiene lugar en el Sol y en las demás estrellas,
desprende una gran energía. La fusión nuclear se podría utilizar,
pues, como fuente de energía.
Tendría la ventaja de que no se producen residuos radiactivos.
Por tanto, sería mucho mejor que la energía de fisión; aunque tiene
el problema de que para que se produzca la fusión de los núcleos,
los átomos deben alcanzar temperaturas extraordinariamente altas, y
la tecnología todavía no ha avanzado lo suficiente como para lograr
la fusión en unas condiciones rentables.
5.4.- Aplicaciones de los isótopos radiactivos
Teniendo en cuenta los procesos que sufren los isótopos
radiactivos, podemos señalar tres aplicaciones principales:
• Como fuente de energía.
• En investigaciones y experimentos científicos.
• En medicina.
Aplicación como fuente de energía
En las centrales nucleares se obtienen grandes cantidades de
energía aprovechando la fisión de isótopos radiactivos. Los
combustibles más habituales de estas centrales son uranio y plutonio.
Concretamente, los isótopos más utilizados son: .
También se puede aprovechar la energía nuclear para fabricar
pilas de muy larga duración. Son pilas alimentadas por plutonio-238.
Se utilizan en los marcapasos, en equipos de medición en sondas
espaciales o en estaciones marítimas o terrestres que se encuentran
en lugares de difícil acceso.
Aplicación en investigaciones y experimentos científicos.
Los núcleos de los isótopos radiactivos se desintegran
emitiendo radiación alfa, beta o gamma. Los isótopos radiactivos
tienen diferentes usos:
• Para determinar la antigüedad de un hallazgo arqueológico
o histórico. Cada isótopo se desintegra a un ritmo, que depende de
la cantidad de átomos presentes y de su tipo. Podemos medir la
velocidad a la que estos isótopos emiten radiación mediante un
aparato denominado contador Geiger. Esto nos permitirá conocer la
antigüedad de un material que contenga el isótopo.
• En investigación se utilizan como rastreadores, para saber
en qué se transforma exactamente una sustancia en una reacción
La fusión nuclear es la responsable
del brillo de las estrellas.
En 1986 se produjo un accidente en
Chernobil (Ucrania). Ocasionó miles
de muertes directas, hubo que
evacuar a unas 350.000 personas y la
radiación se extendió por varios
países europeos, como Finlandia o
Noruega.
Las personas expuestas a la radiación
tienen un riesgo elevado de sufrir la
formación de tumores o de dar a luz a
niños con malformaciones.
El isótopo carbono-14 permite
determinar la antigüedad de una gran
cantidad de restos arqueológicos.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 13
4º CCNN - 13
química. Estos estudios son especialmente importantes para conocer
cómo transcurren las reacciones en los organismos vivos.
• En investigaciones forenses se utilizan técnicas de isótopos
radiactivos para detectar residuos de munición.
Aplicación médica
El mayor número de aplicaciones de los isótopos radiactivos se
da en medicina, donde se emplean para determinados fines:
• Para diagnosticar algunas enfermedades se introduce en
los enfermos (bebiendo o inyectando un líquido) una sustancia que
contiene un isótopo radiactivo que emita radiación de baja energía.
Esa sustancia se fija en el órgano que se quiere analizar y permite
observarlo, registrando la radiación que emite. A estas sustancias
que se utilizan como indicadores médicos se les llama
radioisótopos.
• Para curar ciertos tipos de cáncer. El cáncer hace que
algunas células se reproduzcan rápidamente y originen un tumor. Los
radioisótopos que emiten radiación de alta energía afectan al proceso
de reproducción celular. Si administramos estos radioisótopos a un
enfermo de cáncer, la radiación emitida por los núcleos que se
desintegran eliminará más células cancerosas que células normales,
ya que estas últimas se reproducen más lentamente. En esto se basa
la radioterapia, que usa los isótopos Au-198, Sr-90 o Co-60.
5.5.- Los residuos radiactivos
Todas las actividades relacionadas con los isótopos radiactivos
generan residuos que hay que tratar y almacenar convenientemente.
Son residuos los restos de combustible nuclear y los materiales que
se utilizaron para el diagnóstico o tratamiento de enfermedades.
También se consideran residuos aquellos objetos que han estado en
contacto con material radiactivo y que se han podido contaminar,
como utensilios de taller, embalajes, etc.
Los residuos radiactivos presentan dos características fundamentales:
• Son muy peligrosos. Pequeñas cantidades de residuo
pueden emitir radiación peligrosa para la salud humana.
• Son muy duraderos. Algunos siguen emitiendo radiación
durante miles de años.
Se clasifican en residuos de baja, media y alta actividad.
Los residuos de baja y media actividad son aquellos que
dejan de ser peligrosos para la salud pasados unos trescientos años
como máximo.
Los residuos de alta actividad proceden de restos de
combustible de las centrales nucleares o del armamento nuclear.
Tardarán miles de años en dejar de ser nocivos para la salud.
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... RRRAAADDDIIIAAACCCTTTIIIVVVIIIDDDAAADDD...
28) Piensa y elige las respuestas correctas. Cuando se produce la fisión nuclear:
· Se rompen las partículas presentes en el núcleo atómico y se ibera
una gran cantidad de energía.
· Se unen entre sí las partículas presentes en el núcleo atómico y se
libera energía.
Actualmente se investiga para
conseguir que los radioisótopos dañen
el mayor número de células
cancerosas y el menor número de
células sanas. Se utiliza para ello la
nanotecnología. Esta técnica trata de
recubrir los radioisótopos con una
estructura que reconoce sustancias
químicas que solo existen en las
células cancerosas, y así evita que
destruyan células sanas,
Por seguridad, los operarios deben
utilizar equipamiento y vestimenta
convenientes que les protejan de todo
contacto con los residuos nucleares.
Los residuos de baja y media actividad
se almacenan en instalaciones poco
profundas son los llamados
cementerios nucleares, En España
hay uno en El Cabril (Córdoba).
Los residuos de alta actividad deben
almacenarse en instalaciones estables
a más de 500 metros de profundidad.
En ocasiones, estos residuos se
almacenan en las propias centrales
nucleares.
ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 14
4º CCNN - 14
· Se desintegra el núcleo en varios pedazos, liberándose energía en el
proceso.
· El núcleo se transforma en núcleos de otros elementos químicos
diferentes.
29)Explica en pocas palabras en qué consisten:
a) La fusión nuclear. b) La fisión nuclear.
30)¿Cuál es la ventaja de utilizar baterías con materiales radiactivos?
31)¿Por qué las centrales nucleares no son bien recibidas por los
habitantes de los pueblos vecinos?
32)¿Cuál es la ventaja de las centrales nucleares frente a otras centrales
térmicas, como las de petróleo? Piensa en las consecuencias para el
medio ambiente de cada tipo de central.
33)¿Qué es un radioisótopo? Enumera algunas de las aplicaciones de
ciertos isótopos radiactivos en investigaciones y experimentos
científicos.
34)Los técnicos que realizan las radiografías abandonan la sala en la que
está el paciente justo antes de tomar la imagen. ¿De qué se protegen?
35)Si la radiactividad es peligrosa, ¿cómo es que se utilizan algunos isótopos
radiactivos para curar enfermedades como el cáncer?: ¿Cuáles son?
36)¿Qué queremos decir cuando afirmamos que la energía nuclear es una
energía limpia? ¿Es que no contaminan los residuos nucleares?
37)¿De dónde proceden los residuos nucleares? ¿Por qué son tan
peligrosos los residuos nucleares?
38)Cita algunos de los métodos empleados para almacenar los residuos
nucleares. ¿Por qué se prohibió el vertido de residuos nucleares al mar?
39) ¿Qué medidas de seguridad consideras que deberían adoptar las
personas que manipulan residuos radiactivos?
AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... CCCooommmpppllleeemmmeeennntttaaarrriiiaaasss...
40) Glosario de términos del tema.

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Unidad 5 estructura atomica 11

  • 1. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 1 4º CCNN - 1 1.- Naturaleza eléctrica de la materia. Cuando Dalton emite su teoría atómica, en 1808, se conocían ya varios fenómenos eléctricos (electrización por frotamiento, electrólisis). Sin embargo, a Dalton no le parecieron significativos y no se le ocurrió asociar la naturaleza eléctrica de la materia con sus átomos. Sin embargo a lo largo del siglo XIX y principios del XX, se fueron conociendo una serie de hechos que permitieron deducir la existencia de una relación entre la materia y la electricidad y que dejaron anticuado el concepto de átomo, postulado por Dalton, como partícula indivisible e inalterable. Entre estos hechos destacan los siguientes: Los fenómenos de electrización de la materia y las experiencias realizadas por Faraday referentes a los fenómenos de electrólisis El descubrimiento de la radiactividad en 1896 por Becquerel. El descubrimiento del electrón en 1897 por Thomson. El descubrimiento del protón en 1911 por Rutherford. El descubrimiento del neutrón en 1932 por Chadwick. 1.1.- El descubrimiento del electrón En 1897, el físico J. J. Thomson, observó que al realizar grandes descargas eléctricas sobre tubos de vidrio cerrados, a los que se les extraía el aire, y se introducía un gas a presión reducida (tubo de rayos catódicos), se emitía una radiación invisible que era capaz de activar a una sustancia fluorescente y además presentaba carga negativa (rayos catódicos) Thomson propuso la siguiente explicación: Los rayos catódicos están formados por unas pequeñas partículas a las que llamó electrones y que se encuentran presentes en cualquier tipo de materia. Estas partículas tienen carga negativa. Experiencias posteriores, debidas a R. Millikan entre 1909 y 1913 asociaron al electrón una masa de 9,1. 10 -31 Kg, es decir, 1/1836 la del átomo de hidrógeno (1 u) y una carga de 1,6. 10 -19 Culombios. Los electrones (e) representan la carga más pequeña que se encuentra en la naturaleza. Cualquier otra carga es múltiplo de ella. El hecho de que el electrón sea mucho más ligero que el átomo más ligero hace pensar que el electrón sea una parte del átomo. Por tanto, había que revisar el modelo de átomo indivisible de Dalton. Si el átomo no era indivisible: ¿cómo era «por dentro»?. Además, si el átomo es neutro y en su interior hay cargas negativas, tendría que haber también cargas positivas para neutralizarlas. UNIDAD 5: Discontinuidad de la materia: estructura atómica. Electrización por frotamiento  Existen dos tipos de electricidad o carga eléctrica: positiva y negativa.  Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signos contrarios se atraen.  Los dos cuerpos que participan en la electrización por frotamiento adquieren carga eléctrica pero de signos contrarios. Tubo de rayos catódicos El tubo de los televisores es un tubo de rayos catódicos.
  • 2. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 2 4º CCNN - 2 1.2.- El descubrimiento de la radiactividad Paralelamente a las experiencias de Thomson, en 1986 el físico A. H. Beequerel descubrió, de forma casual, que un mineral de uranio emitía continuamente una radiación desconocida, muy penetrante. El descubrimiento despertó el interés de los científicos, que dieron el nombre de radiactividad al fenómeno. Cuando la radiactividad se estudió detenidamente, se observó que en realidad emitía tres clases de radiaciones. Fueron llamadas rayos alfa (α), rayos beta (β) y rayos gamma (γ). El propio Becquerel descubrió que los rayos beta (β) eran chorros formados por electrones. Por otro lado los Rayos gamma (γ) son radiaciones de muy alta energía sin masa ni carga. Las partículas α que constituyen los rayos alfa presentan carga positiva igual a dos veces la carga del electrón (+2e) y una masa igual a cuatro veces la masa del átomo de hidrógeno (4u), pero son bastante más pequeñas que cualquier átomo. De hecho, pueden penetrar la materia como no pueden hacerlo los átomos. Todo esto era una prueba más de que el átomo se podía dividir. Era la primera vez que se detectaba una carga positiva y que debía asociarse a algún tipo de partícula, lo mismo que la negativa se asociaba a los electrones. El descubrimiento del protón y del neutrón. En 1911 Rutherford descubrió la partícula positiva constituyente de la materia. Se la llamó protón. Tiene una masa aproximada a la del átomo de hidrógeno (1u) (~2.000 veces mayor que la del electrón) y tiene exactamente la misma carga que el electrón, pero de signo positivo. ¿Faltaba alguna partícula más por descubrir? La había: el neutrón. Se descubrió mucho tiempo después (Chadwick, alumno de Rutherford, 1932). No tiene carga, por eso se llama así, y su masa es muy parecida a la del protón. Podemos concluir que: la materia está formada por átomos. A su vez, los átomos están formados por electrones y protones, en igual cantidad, para que el átomo sea neutro, y por neutrones. REPRESENTACIÓN CARGA ELECTRICA MASA ELECTRÓN e Negativa (e - ) e - = - p + Prácticamente despreciable PROTÓN p Positiva (p + ) p + = - e - 1 u NEUTRÓN n No tiene 1 u
  • 3. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 3 4º CCNN - 3 2.- modelos atómicos. Ya no nos vale el átomo indivisible de Dalton, pero... ¿cómo son los átomos por dentro?, Los modelos atómicos surgen de dar explicación a las distintas evidencias experimentales y evolucionan a medida que lo hacen las observaciones experimentales. 2.1. El modelo atómico de Thomson En 1904, J.J. Thomson, después de medir las características del electrón, propuso el siguiente modelo para el átomo: Como la materia es neutra, El átomo debe ser una esfera cargada positivamente de forma uniforme, encontrándose los electrones incrustados en ella como las pepitas de una sandia. La carga de la esfera positiva coincide con la carga negativa total de los electrones. Los electrones están unidos a la carga positiva por fuerzas de tipo eléctrico, como las que mantienen unidos unos trocitos de papel a un bolígrafo de plástico que ha sido frotado. Este primer modelo atómico fue aceptado por la comunidad científica. Sin embargo, esto cambió pronto como consecuencia de la experiencia del físico E. Rutherford y sus colaboradores. 2.2. Experiencia de Rutherford La experiencia de E.Rutherford, en 1911, consistía en bombardear con partículas alfa (partículas positivas) una finísima lámina de oro; detrás de la lámina se colocaba una placa fotográfica para estudiar las trayectorias de las partículas. Ocurría lo siguiente: 1. La mayoría de las partículas atravesaba la lámina de oro sin desviarse. 2. Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera desviación en su trayectoria. 3. Una de cada 10.000 partículas rebotaba y no atravesaba la lámina. 2.3. Modelo de Rutherford Basándose en el experimento que acabamos de describir, Rutherford estableció el siguiente modelo atómico: El átomo estaba formado por un núcleo y una corteza: • En el núcleo se concentra la carga positiva (protones) y la mayor parte de la masa del átomo. • En la corteza, girando alrededor del núcleo, los electrones. Esta zona ocupa la mayor parte del volumen atómico. Modelo de Thomson. El primer modelo atómico
  • 4. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 4 4º CCNN - 4 Analicemos cómo explica este modelo la experiencia del bombardeo de partículas alfa a una lámina de oro: 1. La mayoría de las partículas atravesaban la lámina de oro sin desviarse. Esto era así porque el átomo está prácticamente vacío; sólo había algunos electrones girando alrededor del núcleo y la masa de los electrones es muy pequeña. 2. Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera desviación en su trayectoria. Las partículas que se desviaban eran las que pasaban cerca del núcleo, se repelían (ambas tienen carga positiva) y sufrían una pequeña desviación. 3. Sólo una de cada 10.000 partículas rebotaba y no atravesaba la lámina. Las partículas que rebotaban eran repelidas por el núcleo. El tamaño del núcleo era muy pequeño comparado con el tamaño total del átomo, unas 10.000 veces más pequeño. Un poco después, en 1920, Rutherford propuso la existencia de otra partícula en el núcleo. La denominó neutrón, tendría la masa del protón y carecía de carga. La evidencia experimental de esta partícula no se tuvo hasta 1932 con los experimentos de Chadwick. PARTÍCULAS CARGA ELÉCTRICA MASA VOLUMEN Á T O M O CORTEZA electrones Negativa. De igual valor absoluto que el núcleo Despreciable Prácticamente igual al del átomo NÚCLEO Protones y neutrones Positiva. De igual valor absoluto que la corteza Prácticamente igual a la del átomo Despreciable 2.4. El tamaño del átomo Distintas experiencias han permitido medir el tamaño de los átomos. Considerado como una esfera, el átomo tiene un radio de unos 10-10 m, y el núcleo tiene un radio de unos 10-14 m. De aquí se deduce que el núcleo es unas 10.000 veces más pequeño que el átomo. Para hacernos una idea: si el átomo fuera del tamaño de un campo de fútbol, el núcleo sería como una canica colocada en su centro, y los electrones, como cabezas de alfiler que girarían alrededor del campo. AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... NNNAAATTTUUURRRAAALLLEEEZZZAAA EEELLLEEECCCTTTRRRIIICCCAAA DDDEEE LLLAAA MMMAAATTTEEERRRIIIAAA YYY MMMOOODDDEEELLLOOOSSS AAATTTÓÓÓMMMIIICCCOOOSSS... 1) ¿Cómo se llaman los tres tipos de radiaciones que emiten las sustancias radiactivas? ¿En qué se diferencian unas de otras? 2) Para justificar lo que sucede en los tubos de rayos catódicos, Thomson no propuso un átomo formado por una esfera cargada negativamente en la que se incrustan cargas positivas. ¿Por qué no lo hizo? 3) Sabiendo que un átomo de litio tiene tres electrones, haz un dibujo del mismo según el modelo de Thomson. 4) ¿Según el modelo de Thomson, que le sucede a un átomo que se le arranca un electrón? ¿Y si se le incrusta el electrón? 5) ¿Qué datos de la experiencia de Rutherford nos hacen suponer que el átomo está vacío en su mayor parte? ¿Y que hay núcleo? 6) ¿Cuál es la idea fundamental nueva que introduce el modelo de Rutherford frente al modelo de Thomson?
  • 5. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 5 4º CCNN - 5 7) ¿Dónde están situados los electrones, los protones y los neutrones en el modelo de Rutherford? 8) El modelo atómico de Rutherford se suele comparar con un sistema planetario en miniatura. ¿Qué representaría la tierra en el átomo de Rutherford? ¿Y el Sol? 9) Sabiendo que el átomo de litio tiene tres electrones, haz un dibujo del mismo según el modelo de Rutherford. ¿Has podido respetar la escala en el dibujo? 10) Teniendo en cuenta que los átomos según nuestro modelo son neutros, ¿qué relación habrá entre el número de electrones de la corteza de un átomo y el número de protones que hay en su núcleo? 11) Un átomo de carbono está formado por 6 protones y 6 electrones. ¿Qué otras partícula se necesita para explicar el hecho de que su masa atómica sea 12 u? 3.- Datos de los átomos. 3.1. El número atómico y el número másico. En los distintos modelos atómicos los átomos se diferencian por el número de protones, neutrones y electrones. Para identificar el número de estas partículas, se definen el número atómico y el número másico. Se llama número atómico, y se representa por Z, al número de protones que tiene un átomo en su núcleo, y coincide con el valor de su carga nuclear. Z = número de protones Como el átomo es neutro, este número representa también el número de electrones. Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones en su núcleo. Así pues podemos decir que un elemento es una clase de átomos que se caracteriza por tener todos el mismo número atómico (Z). A cada Z le corresponde un símbolo. Teniendo en cuenta que la masa de los electrones se puede considerar despreciable, la masa de un átomo coincide básicamente con la de su núcleo, (protones + neutrones). Llamamos número másico, y representamos por A, al número de protones más neutrones (número de nucleones) que hay en el núcleo del átomo. A = número de protones + número de neutrones Como la masa de protones y neutrones es aproximadamente igual a la del átomo de hidrógeno (1 u), la masa de un átomo viene a coincidir en valor con el número másico (de aquí el nombre), pero el número másico no representa la masa del átomo. Para representar los distintos tipos de átomos se utiliza: También se utiliza el nombre del elemento seguido por un guión y el número másico, ya que a cada elemento le corresponde un número atómico. El valor de A es útil, pero no nos dice de qué elemento se trata, Lo que identifica el átomo de cada elemento es Z, el número de protones. Por ejemplo, el elemento con Z = 8 es el oxígeno y sólo él.
  • 6. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 6 4º CCNN - 6 Ejemplos:  Representar un átomo de carbono que está formado por 6 protones, 6 electrones y 8 neutrones. Ya que su número másico es igual a la suma del número de protones y neutrones (6 + 8 = 14), lo haríamos de la siguiente forma: o también Carbono-14.   3.2. Elementos químicos e isótopos Un elemento químico es una sustancia formada por un solo tipo de átomos, todos con el mismo Z. Sin embargo, al medir las masas de los átomos de un mismo elemento, se detecta que existen átomos que difieren ligeramente en su masa. Esto es debido a que aunque todos ellos tienen el mismo número de protones en su núcleo, por ser del mismo elemento, poseen distinto número de neutrones. Así, para el elemento químico cloro, nos encontramos con dos átomos distintos: 35 17Cl, 37 17Cl Ambos átomos son de cloro, no hay duda, ya que Z = 17. La diferencia está en el número de neutrones que acompañan a los protones en el núcleo. Por tanto, hay dos variedades de cloro, una con 18 neutrones y otra con 20. Se denominan isótopos a los átomos de un mismo elemento que tienen distinto número de neutrones en su núcleo. La mayoría de elementos químicos están formados por una mezcla de isótopos: el hidrógeno presenta tres isótopos, el boro dos, el oxígeno tres, el carbono tres....: Isótopos radiactivos Algunos de los isótopos de muchos elementos son radiactivos. Las radiaciones que emiten son empleadas en muchas aplicaciones prácticas dentro de los más diversos campos como pueden ser: en medicina para destruir tumores, en agricultura, en la industria, en arqueología... Los isótopos «Isótopo» significa «en el mismo sitio», ya que los átomos isótopos van colocados en el mismo lugar de la tabla periódica por ser del mismo elemento.
  • 7. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 7 4º CCNN - 7 3.2.1. Determinación de la masa de un elemento químico La mayoría de los elementos químicos presentan isótopos. Cuando hablamos de la masa atómica de un elemento químico, nos referimos a la masa de un átomo medio de ese elemento. Para calcularla, tendremos que tener en cuenta la masa de cada isótopo y su abundancia en la naturaleza. Esta es la razón por la que en algunos casos la masa de un átomo no es un número entero. Ejemplo:  3.3.- Iones. Como ya hemos indicado los átomos en estado neutro tienen el mismo número de protones en su núcleo que electrones en su corteza. Sin embargo también hemos visto que bajo ciertas circunstancias, por ejemplo por frotamiento, los átomos pueden quedar electrizados al ganar o perder electrones de su corteza. Cuando un átomo gana o pierde electrones, queda cargado eléctricamente y se le denomina ion. Si el átomo gana electrones, forma un ion negativo o anión y tendrá una carga negativa igual al número de electrones ganados. Si el átomo pierde electrones, forma un ion positivo o catión y tendrá una carga positiva igual al número de electrones perdidos. Para representar los iones se indica el valor de la carga del mismo en la esquina superior derecha del símbolo del elemento. Ejemplos:  El Oxigeno cuando gana dos electrones forma el anión Oxigeno: O= o O -2  El Litio cuando pierde 1 electrón forma el catión Litio: Li +1 o Li + AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... DDDAAATTTOOOSSS DDDEEE LLLOOOSSS ÁÁÁTTTOOOMMMOOOSSS 12)Completa el cuadro siguiente: Los no metales forman iones negativos con facilidad. Los metales forman iones positivos con facilidad.
  • 8. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 8 4º CCNN - 8 13)Un átomo tiene 17 protones y 18 neutrones. ¿Cuál es su número atómico? ¿Y su número másico? 14)Analiza los dibujos y completa la tabla. 15)¿Tenía razón Dalton cuando decía que todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre si? 16)¿Por qué los siguientes átomos 39 18 Ar y 39 19K Tienen distinto símbolo? ¿Son isótopos? 17)¿Qué podemos esperar, respecto al comportamiento químico, de átomos de igual Z y distinto A? ¿Y de átomos de distinto Z e igual A? 18)El neón, de número atómico 10, en la naturaleza tiene dos isótopos uno de masa atómica 20 u y otro de masa 22 u. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian estos dos átomos? Si se presentan en la naturaleza en una proporción del 90% del primero y del 10% del segundo, calcula la masa atómica de Ne. 19)La plata tiene una masa atómica de 107,87 u. Sabiendo que está formada por dos isótopos de masas atómicas 107 y 109 u, respectivamente, averigua la proporción en que se encuentra cada isótopo. 20)En el cobre el 69,1% corresponde al isótopo cobre-63 y el resto al cobre-65. Calcula la masa atómica del elemento cobre. 21)¿Se pueden obtener iones de un átomo ganando o perdiendo protones del núcleo? 22)Completa la tabla indicando, en cada caso, el nombre, el símbolo, las partículas de cada especie y su carga. Busca la información que necesites en la tabla periódica. 23) Haz un cuadro similar al anterior para los siguientes átomos e iones (cationes o aniones): 40 20Ca ; 127 -1 53I ; 1 + 1H ; 16 8O ; 31 -3 15P ; 27 +3 13O ; 39 + 19K . 4.- La tabla periódica de los elementos. Uno de los trabajos que más trascendencia ha tenido en la evolución de las ideas científicas en el campo de la química, ha sido la ordenación o clasificación periódica de las sustancias simples y, de acuerdo con la teoría atómica, de los elementos correspondientes. A principios del siglo XIX se conocían más de cincuenta elementos (sustancias simples), algunos de los cuales presentaban propiedades parecidas. Por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio tenían características de metales y se combinaban con el agua en reacciones explosivas. Esto sugirió la posibilidad de ordenar los
  • 9. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 9 4º CCNN - 9 elementos en grupos con propiedades semejantes, para así facilitar su estudio. La historia de esta clasificación y ordenación es compleja y extensa en el tiempo. La más importante de las primeras clasificaciones y precursora de la actual, fue realizada a finales del siglo XIX por el científico ruso Mendeleiev y el alemán Meyer. Esta clasificación situaba los elementos en orden creciente de masa atómica, pero lo más destacado de sus trabajos fue que dejaron huecos en la tabla para los elementos que se pudiesen descubrir posteriormente, e incluso predijeron las propiedades que estos debían de tener según su posición en la tabla. Finalmente, en el siglo XX, se observó que la ordenación de Mendeleiev tenía algunas irregularidades, pues las propiedades de algún elemento no respondían a la posición asignada. Se comprobó que no es la masa atómica la que determina las propiedades de los elementos sino su número atómico, lo que permitió ordenar los elementos, en orden creciente de su número atómico, en la tabla o sistema periódico actual. La clasificación periódica actual de las sustancias simples y de los elementos que les corresponden, se conoce como tabla periódica de los elementos (T.P. o S.P.). Consiste en una agrupación en filas y columnas de tamaño desigual según el orden creciente de números atómicos.  Las columnas se denominan grupos o familias, y en ellas se encuentran los elementos de propiedades parecidas.  Las filas horizontales se llaman períodos y a lo largo de cada uno las propiedades varían gradualmente  La T.P. consta de 18 grupos: ocho de ellos denominados con Mendeleiev Meyer
  • 10. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 10 4º CCNN - 10 un número y la letra A y otros ocho con la letra B. La nomenclatura de la IUPAC (Unión Internacional de Química pura y aplicada) numera los grupos del 1 al 18. Los grupos A (1, 2 y 13 al18), situados a ambos extremos son los llamados elementos representativos. Tienen nombre propio. Los elementos de los grupos B (3 al 12) situados en el centro, se llaman elementos de transición. Los elementos que están en la parte inferior de la tabla se llaman elementos de transición interna, y se denominan lantánidos y actínidos. Son dos series de 14 elementos que por sus propiedades ocuparían un solo lugar en la tabla.  Hay siete períodos (filas), que empiezan siempre con un metal alcalino y terminan con un halógeno seguido de un gas noble.  Los elementos se clasifican en metales y no metales: A grandes rasgos, los metales, que son la mayoría, ocupan la parte izquierda y central de la tabla y los no metales , la derecha salvo los gases nobles. Junto a la línea escalonada y más gruesa que los separa se encuentran los semimetales que presentan propiedades intermedias entre las metálicas y las no metálicas METALES NO METALES  Elevados puntos de fusión y ebullición (todos excepto el mercurio, son sólidos a temperatura ambiente)  Bajos puntos de fusión y ebullición (algunos son gases a temperatura ambiente).  Densidades altas generalmente.  Densidades bajas.  Color y brillo especial, llamado metálico.  No suelen tener brillo, son de diferentes colores.  Resistencia a la rotura mediante golpes.  Frágiles se rompen fácilmente en estado sólido.  Se pueden modelar en forma de hilos o chapas.  Los sólidos no pueden formar alambres ni láminas.  Conducen bien la corriente eléctrica y el calor  No conducen bien la corriente eléctrica ni el calor.  Forman iones positivos con facilidad.  Forman iones negativos con facilidad.  El hidrógeno se sitúa a menudo en el grupo 1 de la tabla periódica, metales alcalinos, aunque la mayoría de sus propiedades no coinciden con los demás elementos de este grupo. El hidrógeno presenta propiedades más cercanas a la de los no metales y resulta más correcto no asociarle a ningún grupo.  Los gases nobles están situados en el grupo VIIIA (18) y son muy inertes, es decir, que no se combinan prácticamente con otros elementos para dar compuestos. A temperatura ambiente, se presentan en estado gaseoso y su molécula está formada por un sólo átomo. AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... LLLAAA TTTAAABBBLLLAAA PPPEEERRRIIIÓÓÓDDDIIICCCAAA DDDEEE LLLOOOSSS EEELLLEEEMMMEEENNNTTTOOOSSS 24)Escribe el símbolo y el nombre de los siguientes elementos: · Los alcalinos. Los halógenos. · Los gaseosos. los líquidos. · Los no metales. Los semimetales · Los gases nobles. El segundo periodo. 25)Clasifica los siguientes elementos como gases nobles, metales, no metales o semimetales e indica el periodo y grupo al que pertenecen: · Litio Magnesio Cloro Yodo Oro · Neón Xenón Carbono Nitrógeno Helio
  • 11. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 11 4º CCNN - 11 26)A continuación tienes los números atómicos de cuatro átomos desconocidos. Clasifícalos en metales, no metales y gases nobles, e indica el periodo y grupo al que pertenecen: A(Z=6) B(Z=18) C(Z=16) D(Z=20) 27) ¿A qué elemento se parecerá más el azufre (químicamente hablando), al fósforo o al oxígeno? Explícalo. 5.- Radiactividad. En general, los núcleos de los átomos no cambian, cuando estos participan en transformaciones físicas ordinarias o químicas. Sin embargo, los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos pueden sufrir cambios que denominaremos reacciones nucleares y que pueden ser: • La radiactividad: La pérdida, ganancia o trasformación de algunas partículas de su núcleo. • Fisión nuclear: La rotura de un núcleo para dar otros núcleos más pequeños. • Fusión nuclear: La unión del núcleo de dos átomos pequeños para dar un núcleo mayor: Cuando los átomos de un elemento sufren uno de estos procesos, se convierten en átomos de un elemento químico diferente. 5.1.- Radiactividad Es el proceso que experimentan algunos núcleos atómicos que les lleva a emitir radiación. Esta puede ser de tres tipos: Se llaman isótopos radiactivos los que emiten estas radiaciones. 5.2.- Fisión nuclear Algunos núcleos de isótopos radiactivos de elementos con átomos muy grandes, como el uranio o el plutonio, se rompen para dar núcleos de átomos más pequeños. El proceso de fisión nuclear se inicia al bombardear el núcleo grande con partículas, como neutrones, que hacen que el núcleo se parta formando núcleos de átomos de tamaño intermedio. Además de núcleos más pequeños, se liberan también neutrones que son capaces de romper otros núcleos grandes, en lo que se denomina un
  • 12. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 12 4º CCNN - 12 proceso en cadena. En estas acciones se libera una gran cantidad de energía, denominada energía nuclear, que se aprovecha en las centrales nucleares para obtener energía eléctrica. Esta energía también es la responsable del efecto devastador de las bombas atómicas y de los misiles nucleares. 5.3.- Fusión nuclear Algunos núcleos de átomos muy pequeños se pueden unir para dar núcleos de átomos mayores. Dos átomos de hidrógeno (sus isótopos deuterio o tritio) pueden unir sus núcleos y convertirse en un átomo de helio. Este proceso, que tiene lugar en el Sol y en las demás estrellas, desprende una gran energía. La fusión nuclear se podría utilizar, pues, como fuente de energía. Tendría la ventaja de que no se producen residuos radiactivos. Por tanto, sería mucho mejor que la energía de fisión; aunque tiene el problema de que para que se produzca la fusión de los núcleos, los átomos deben alcanzar temperaturas extraordinariamente altas, y la tecnología todavía no ha avanzado lo suficiente como para lograr la fusión en unas condiciones rentables. 5.4.- Aplicaciones de los isótopos radiactivos Teniendo en cuenta los procesos que sufren los isótopos radiactivos, podemos señalar tres aplicaciones principales: • Como fuente de energía. • En investigaciones y experimentos científicos. • En medicina. Aplicación como fuente de energía En las centrales nucleares se obtienen grandes cantidades de energía aprovechando la fisión de isótopos radiactivos. Los combustibles más habituales de estas centrales son uranio y plutonio. Concretamente, los isótopos más utilizados son: . También se puede aprovechar la energía nuclear para fabricar pilas de muy larga duración. Son pilas alimentadas por plutonio-238. Se utilizan en los marcapasos, en equipos de medición en sondas espaciales o en estaciones marítimas o terrestres que se encuentran en lugares de difícil acceso. Aplicación en investigaciones y experimentos científicos. Los núcleos de los isótopos radiactivos se desintegran emitiendo radiación alfa, beta o gamma. Los isótopos radiactivos tienen diferentes usos: • Para determinar la antigüedad de un hallazgo arqueológico o histórico. Cada isótopo se desintegra a un ritmo, que depende de la cantidad de átomos presentes y de su tipo. Podemos medir la velocidad a la que estos isótopos emiten radiación mediante un aparato denominado contador Geiger. Esto nos permitirá conocer la antigüedad de un material que contenga el isótopo. • En investigación se utilizan como rastreadores, para saber en qué se transforma exactamente una sustancia en una reacción La fusión nuclear es la responsable del brillo de las estrellas. En 1986 se produjo un accidente en Chernobil (Ucrania). Ocasionó miles de muertes directas, hubo que evacuar a unas 350.000 personas y la radiación se extendió por varios países europeos, como Finlandia o Noruega. Las personas expuestas a la radiación tienen un riesgo elevado de sufrir la formación de tumores o de dar a luz a niños con malformaciones. El isótopo carbono-14 permite determinar la antigüedad de una gran cantidad de restos arqueológicos.
  • 13. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 13 4º CCNN - 13 química. Estos estudios son especialmente importantes para conocer cómo transcurren las reacciones en los organismos vivos. • En investigaciones forenses se utilizan técnicas de isótopos radiactivos para detectar residuos de munición. Aplicación médica El mayor número de aplicaciones de los isótopos radiactivos se da en medicina, donde se emplean para determinados fines: • Para diagnosticar algunas enfermedades se introduce en los enfermos (bebiendo o inyectando un líquido) una sustancia que contiene un isótopo radiactivo que emita radiación de baja energía. Esa sustancia se fija en el órgano que se quiere analizar y permite observarlo, registrando la radiación que emite. A estas sustancias que se utilizan como indicadores médicos se les llama radioisótopos. • Para curar ciertos tipos de cáncer. El cáncer hace que algunas células se reproduzcan rápidamente y originen un tumor. Los radioisótopos que emiten radiación de alta energía afectan al proceso de reproducción celular. Si administramos estos radioisótopos a un enfermo de cáncer, la radiación emitida por los núcleos que se desintegran eliminará más células cancerosas que células normales, ya que estas últimas se reproducen más lentamente. En esto se basa la radioterapia, que usa los isótopos Au-198, Sr-90 o Co-60. 5.5.- Los residuos radiactivos Todas las actividades relacionadas con los isótopos radiactivos generan residuos que hay que tratar y almacenar convenientemente. Son residuos los restos de combustible nuclear y los materiales que se utilizaron para el diagnóstico o tratamiento de enfermedades. También se consideran residuos aquellos objetos que han estado en contacto con material radiactivo y que se han podido contaminar, como utensilios de taller, embalajes, etc. Los residuos radiactivos presentan dos características fundamentales: • Son muy peligrosos. Pequeñas cantidades de residuo pueden emitir radiación peligrosa para la salud humana. • Son muy duraderos. Algunos siguen emitiendo radiación durante miles de años. Se clasifican en residuos de baja, media y alta actividad. Los residuos de baja y media actividad son aquellos que dejan de ser peligrosos para la salud pasados unos trescientos años como máximo. Los residuos de alta actividad proceden de restos de combustible de las centrales nucleares o del armamento nuclear. Tardarán miles de años en dejar de ser nocivos para la salud. AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... RRRAAADDDIIIAAACCCTTTIIIVVVIIIDDDAAADDD... 28) Piensa y elige las respuestas correctas. Cuando se produce la fisión nuclear: · Se rompen las partículas presentes en el núcleo atómico y se ibera una gran cantidad de energía. · Se unen entre sí las partículas presentes en el núcleo atómico y se libera energía. Actualmente se investiga para conseguir que los radioisótopos dañen el mayor número de células cancerosas y el menor número de células sanas. Se utiliza para ello la nanotecnología. Esta técnica trata de recubrir los radioisótopos con una estructura que reconoce sustancias químicas que solo existen en las células cancerosas, y así evita que destruyan células sanas, Por seguridad, los operarios deben utilizar equipamiento y vestimenta convenientes que les protejan de todo contacto con los residuos nucleares. Los residuos de baja y media actividad se almacenan en instalaciones poco profundas son los llamados cementerios nucleares, En España hay uno en El Cabril (Córdoba). Los residuos de alta actividad deben almacenarse en instalaciones estables a más de 500 metros de profundidad. En ocasiones, estos residuos se almacenan en las propias centrales nucleares.
  • 14. ESPA UNIDAD 5: DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA: ESTRUCTURA ATÓMICA - 14 4º CCNN - 14 · Se desintegra el núcleo en varios pedazos, liberándose energía en el proceso. · El núcleo se transforma en núcleos de otros elementos químicos diferentes. 29)Explica en pocas palabras en qué consisten: a) La fusión nuclear. b) La fisión nuclear. 30)¿Cuál es la ventaja de utilizar baterías con materiales radiactivos? 31)¿Por qué las centrales nucleares no son bien recibidas por los habitantes de los pueblos vecinos? 32)¿Cuál es la ventaja de las centrales nucleares frente a otras centrales térmicas, como las de petróleo? Piensa en las consecuencias para el medio ambiente de cada tipo de central. 33)¿Qué es un radioisótopo? Enumera algunas de las aplicaciones de ciertos isótopos radiactivos en investigaciones y experimentos científicos. 34)Los técnicos que realizan las radiografías abandonan la sala en la que está el paciente justo antes de tomar la imagen. ¿De qué se protegen? 35)Si la radiactividad es peligrosa, ¿cómo es que se utilizan algunos isótopos radiactivos para curar enfermedades como el cáncer?: ¿Cuáles son? 36)¿Qué queremos decir cuando afirmamos que la energía nuclear es una energía limpia? ¿Es que no contaminan los residuos nucleares? 37)¿De dónde proceden los residuos nucleares? ¿Por qué son tan peligrosos los residuos nucleares? 38)Cita algunos de los métodos empleados para almacenar los residuos nucleares. ¿Por qué se prohibió el vertido de residuos nucleares al mar? 39) ¿Qué medidas de seguridad consideras que deberían adoptar las personas que manipulan residuos radiactivos? AAA ccc ttt iii vvv iii ddd aaa ddd eee sss ... CCCooommmpppllleeemmmeeennntttaaarrriiiaaasss... 40) Glosario de términos del tema.