Competencia: Utiliza los modelos atómicos para comprender y explicar el comportamiento microscópico y macroscópico de la materia, partiendo de la premisa que la unidad básica de la materia es átomo






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fecha de publicación16.08.2015
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tipoCompetencia
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ESCUELA NORMAL SUPERIOR DE MANIZALES
NÚCLEO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

PLAN DE CLASE

Código

GADC10-15

Versión

2011

Página

1 de 10


ÁREA: QUÍMICA

GRADO: DÉCIMO PERIODO: II

Hoy el desarrollo del mundo microscópico influye en el avance de la ciencia y la tecnología
COMPETENCIA:
Utiliza los modelos atómicos para comprender y explicar el comportamiento microscópico y macroscópico de la materia, partiendo de la premisa que la unidad básica de la materia es átomo.
DESEMPEÑOS:


  • Interpreta y explica cada uno de los diferentes modelos atómicos propuestos a lo largo de la historia.

  • Diferencia las propiedades y características de los modelos atómicos, identificando las falencias de un modelo a otro.

  • Haya el número de masa a partir del número atómico y el número de neutrones.

  • Construye átomos de los principales isotopos de los primeros elementos de la tabla periódica, mediante simuladores virtuales.


VIVENCIA


  1. ¿Qué viene a tu mente cuando escuchas la palabra átomo?




  1. ¿Cuál crees que sea la razón por la cual cuando nos practican una radiografía (rayos X) se observan nuestros huesos, mientras que a simple vista no?




  1. ¿Cómo te imaginas que son las sustancias por dentro, por ejemplo un lápiz, el papel de las páginas de tu libro favorito, el agua que bebes? Crees que estas sustancias tienen algo en común en su interior o crees que son diferentes?




  1. En la siguiente sopa de letras encontraras 17 palabras relacionadas con materia y teorías atómicas, sombréalas y explícalas, ya que servirán de glosario


D



A

D

L

E

F

R

E

M

M

O

S

X

S

E

T

M

B

T

A

U

A

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C

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M

I

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S

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M

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I

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D

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R

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T

O

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E

Q

M

O

L

E

C

U

L

A

M

N

Ñ

P

A

D

I

R

A

C

O

O

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N

E

M

E

L

E

S

C

H

R

O

D

I

N

G

E

R

A

W

R
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado sobre cómo está constituida la materia.
Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba formada por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.
Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y transcurrieron cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.


Año

Científico

Descubrimientos experimentales

Modelo atómico

siglo VI a. C

http://edufilos.nireblog.com/blogs/edufilos/files/democrito2.jpg

Demócrito y Leucipo

Los griegos creían que todos los átomos estaban hechos del mismo material pero tenían diferentes formas y tamaños, que eran los factores que determinaban las propiedades físicas del material.


Todas las cosas están compuestas de partículas diminutas, invisibles e indestructibles de materia pura (en griego átoma, 'indivisible'), que se mueven por la eternidad en un infinito espacio vacío 

1808

dalton_m
John Dalton

Durante el siglo .XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química.

reaccion




La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables,

iguales entre sí en cada elemento químico.

mod_dalt




1897

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J.J. Thomson

Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones.

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De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

(Modelo atómico de Thomson.)

mod_thom




1911

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E. Rutherford

Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.

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Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.

(Modelo atómico de Rutherford.)

atomo_r




1913

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Niels Bohr

Espectros atómicos discontinuos originados por la radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso.

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Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos.

(Modelo atómico de Bohr.)

atomo_b





MODELO ACTUAL DEL ÁTOMO
EL NACIMIENTO DE UNA NUEVA TEORÍA
LA MECÁNICA CUÁNTICA MODERNA. Podemos decir que la mecánica cuántica moderna surge hacia 1.925 como resultado del conjunto de trabajos realizados por Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac y otros, y es capaz de explicar de forma satisfactoria no sólo, la constitución atómica, sino otros fenómenos fisicoquímicos, además de predecir una serie de sucesos que posteriormente se comprobarán experimentalmente.

La mecánica cuántica se basa en la teoría de Planck, y tomo como punto de partida la dualidad onda-corpúsculo de Louis De Broglie y el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Modelo atómico de Sommerfeld: En 1916, Sommerfeld perfeccionó el modelo atómico de Bohr intentando paliar los dos principales defectos de éste. Para eso introdujo dos modificaciones básicas: Órbitas casi-elípticas para los electrones y velocidades relativistas. En el modelo de Bohr los electrones sólo giraban en órbitas circulares. La excentricidad de la órbita dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal, que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. Las órbitas con:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/75/sommerfeld_ellipses.svg/250px-sommerfeld_ellipses.svg.png


  • l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o sharp

  • l = 1 se denominarían p o principal.

  • l = 2 se denominarían d o diffuse.

  • l = 3 se denominarían f o fundamental.


Para hacer coincidir las frecuencias calculadas con las experimentales, Sommerfeld postuló que el núcleo del átomo no permanece inmóvil, sino que tanto el núcleo como el electrón se mueven alrededor del centro de masas del sistema, que estará situado muy próximo al núcleo al tener este una masa varios miles de veces superior a la masa del electrón.

Para explicar el desdoblamiento de las líneas espectrales, observando al emplear espectroscopios de mejor calidad, Sommerfeld supone que las órbitas del electrón pueden ser circulares y elípticas. Introduce el número cuántico secundario o azimutal, en la actualidad llamado l, que tiene los valores 0, 1, 2,…(n-1), e indica el momento angular del electrón en la órbita en unidades de \frac {h}{2\pi}, determinando los subniveles de energía en cada nivel cuántico y la excentricidad de la órbita.
LOUIS-VICTOR DE BROGLIE: De Broglie era un físico teórico alejado de los experimentalistas o los ingenieros. En 1924 presentó una tesis doctoral titulada: Recherches sur la théorie des quanta ("Investigaciones sobre la teoría cuántica") introduciendo los electrones como ondas. Este trabajo presentaba por primera vez la dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica. Su trabajo se basaba en los trabajos de Einstein y Planck.

La asociación de partículas con ondas implicaba la posibilidad de construir un microscopio electrónico de mucha mayor resolución que cualquier microscopio óptico al trabajar con longitudes de onda mucho menores.
La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz puede poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.

De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Actualmente se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. (Stephen Hawking2001)

En 1929 recibió el premio Nobel de física gracias a las ideas contenidas en su tesis doctoral. En 1942 fue nombrado secretario perpetuo de la Academia de ciencias, de la que era miembro desde 1933.
Modelo atómico de Schrödinger: El modelo atómico de Schrödinger es un modelo cuántico no relativista. Se basa en la solución de la ecuación de Schrödinger para un potencial electrostático con simetría esférica, llamado también átomo hidrogenoide. En este modelo el electrón se contemplaba originalmente como una onda estacionaria de materia cuya amplitud decaía rápidamente al sobrepasar el radio atómico.

El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían energías ligeramente diferentes. Esto no tenía explicación en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba alguna corrección. La propuesta fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. La forma concreta en que surgieron de manera natural estos subniveles, fue incorporando órbitas elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas más complejas y calculó los efectos relativistas.
El modelo atómico de Schrödinger concebía originalmente los electrones como ondas de materia. Así la ecuación se interpretaba como la ecuación ondulatoria que describía la evolución en el tiempo y el espacio de dicha onda material. Más tarde Max Born propuso una interpretación probabilística de la función de onda de los electrones. Esa nueva interpretación es compatible con los electrones concebidos como partículas cuasipuntuales cuya probabilidad de presencia en una determinada región viene dada por la integral del cuadrado de la función de onda en una región. Es decir, en la interpretación posterior del modelo, éste era modelo probabilista que permitía hacer predicciones empíricas, pero en el que ni la posición ni el movimiento del electrón en el átomo variaba de manera determinista.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cf/hatomorbitals.png/180px-hatomorbitals.png


EL átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:and9gctdtaf1ikopwmhwhaqh11utr19gosvcisqqx6ekwpmdry7xog9u

La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleones, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.
Identificación de los átomos: Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26 protones en su núcleo, etc, y esto permite clasificarlos en la tabla periódica por orden creciente de este número de protones.
Número atómico (Z): Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ZX.

Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.
Número másico (A): Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: AX.

Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.

De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:

31H -----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2 neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.

Si tenemos un ion habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese neutro.

- Si es un catión habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la carga positiva:

2512Mg+2 -----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 - 12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.

- Si es un anión habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga negativa:

199F-1 -----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones, 19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico, pero distintos números másicos. Es decir, tienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones.

Ejemplo: El elemento hidrógeno, cuyo número atómico es 1 (es decir, que posee un protón en el núcleo), tiene 3 isótopos en cuyos núcleos existen 0, 1 y 2 neutrones, llamados protio, deuterio y tritio respectivamente.


EJERCITACIÓN


Actividad. Relaciona las siguientes conclusiones experimentales con el modelo atómico a que dieron lugar:

Principio del formulario

  1. El átomo no es indivisible ya que al aplicar un fuerte voltaje a los átomos de un elemento en estado gaseoso, éstos emiten partículas con carga negativa:                                                                          

  2. Al reaccionar 2 elementos químicos para formar un compuesto lo hacen siempre en la misma proporción de masas:                                                                          

  3. Los átomos de los elementos en estado gaseoso producen, al ser excitados, espectros discontinuos característicos que deben reflejar su estructura electrónica:                                                                         

  4. Al bombardear los átomos de una lámina delgada con partículas cargadas positivamente, algunas rebotan en un pequeño núcleo situado en el centro del átomo:                                                                         

Final del formulario
Átomos: Definiciones
(1)______________ es el número de (2)______________ que contiene el núcleo,

coincide con el número de (3)______________ sólo si el átomo es neutro.

Los (4)______________ se caracterizan por su número atómico; es decir, por el número

de (5)______________ del núcleo. Átomos con diferente número de protones

pertenecen a elementos (6)______________.

(7)______________ es el número de nucleones del núcleo atómico; es decir, la suma

total de (8)______________ y (9)______________ del núcleo.

Átomos de un mismo elemento que tienen diferente número de (10)______________ se

denominan isótopos de dicho elemento. Los isótopos de un elemento siempre tienen el

mismo número de (11)______________.

Palabras claves: diferentes - electrones- elementos - neutrones - neutrones - Número atómico Número másico - protones- protones –protones - protones

 Los átomos de un mismo elemento químico tienen todos en su núcleo el mismo número de

 .

2. Un átomo tiene 12 protones, 13 neutrones y 12 electrones. ¿Cuál es su número atómico?



  1.  12

  2.  13

  3.  24

  4.  25






3. Los isótopos oxígeno-16, oxígeno-17 y oxígeno-18, se diferencian en:



  1.  El número de protones

  2.  El número atómico

  3.  El número de neutrones

  4.  El número de electrones





4. Un átomo de volframio (W) tiene 74 protones y 108 neutrones. ¿Cuál es su representación adecuada?

1.  http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/img/w1.gif 

2.  http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/img/w2.gif 

3.  http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/img/w3.gif 

4.  http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/img/w4.gif


5. Señala las afirmaciones correctas:

  1.  El número másico de un átomo es la suma del número de protones, neutrones y electrones

  2.  Todos los átomos de un mismo elemento químico tienen el mismo número de neutrones

  3.  Los isótopos de un elemento químico tienen el mismo número atómico

  4.  Los isótopos de un elemento químico tienen el mismo número másico

  5.  Los isótopos de un elemento químico tienen distinto número de neutrones


Ejercicios de comprensión de las definiciones
1. Tenemos dos isótopos de un mismo elemento. El primero tiene de número másico 35

y el segundo de número másico 37. El primero es neutro. El segundo es un anión con

carga -1 que tiene 18 electrones. Rellena el número de partículas de cada isótopo:

a. Isótopo primero: (1)_____ protones, (2)_____ electrones, (3)_____ neutrones.

b. Isótopo segundo: (4)_____ protones, (5)_____ electrones, (6)_____ neutrones.
2. Si el número atómico es 17:

a. El átomo tendrá (7)_____ electrones si el átomo es neutro.

b. El átomo tendrá (8)_____ electrones si el átomo tiene de carga +2.

c. El átomo tendrá (9)_____ electrones si el átomo tiene de carga -2.
3. Rellena lo que falta:

a. Si un átomo tiene de carga +3 y contiene 25 electrones, su número atómico es

(10)_____.

b. Si un átomo tiene de carga -2 y contiene 15 electrones, su número atómico es

(11)_____.

c. Si un átomo es neutro y contiene 35 electrones, su número atómico es

(12)_____.
13 15 17 17 17 17 18 18 19 20 28 35


APLICACIÓN
Actividad: Construir átomos

Tras el estudio realizado de la estructura atómica, puedes intentar conseguir una buena puntuación construyendo isotopos de los primeros elementos de la tabla periódica, dicha puntuación será tomada como calificación de la presenta guía:



COMPLEMENTACIÓN

El modelo atómico de Schrödinger predice adecuadamente las líneas de emisión espectrales, tanto de átomos neutros como de átomos ionizados. El modelo también predice adecuadamente la modificación de los niveles energéticos cuando existe un campo magnético o eléctrico (efecto Zeeman y efecto Stark respectivamente). Además, con ciertas modificaciones semiheurísticas el modelo explica el enlace químico y la estabilidad de las moléculas. Sin embargo, el nombre de "modelo atómico" de Schrödinger puede llevar a confusión ya que no explica la estructura completa del átomo. El modelo de Schrödinger explica sólo la estructura electrónica del átomo y su interacción con la estructura electrónica de otros átomos, pero no explica como es el núcleo atómico ni su estabilidad.

Cuando se necesita una alta precisión en los niveles energéticos puede emplearse un modelo similar al de Schrödinger, pero donde el electrón es descrito mediante la ecuación relativista de Dirac en lugar de mediante la ecuación de Schrödinger. El átomo reside en su propio eje.

Como se ha mencionado, el modelo atómico de Schrödinger es el aceptado actualmente por la academia, aunque el modelo más actual es el realizado por Paul Dirac; realiza una amplia consulta sobre dicho modelo atómico y haz un ensayo sobre el mismo.

BIBLIOGRAFÍA





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