Ud. 4 El átomo - Alquimica
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I.E.S. Virgen del Puerto 3º E.S.O. Física y Química 2018/2019
ud. 4 El átomo
1. Introducción.
El concepto de átomo se conoce desde la antigüedad, y fue establecido por el filósofo griego
Demócrito 4 siglos antes de cristo. Fue el primero en suponer que la materia estaba constituidas por
partículas indivisibles a las que llamó “átomos” (que significa “sin partes”). Como no había
métodos para poder demostrar su existencia, postuló dicha hipótesis.
Hasta principios del siglo XIX no se pudo demostrar la existencia de los átomos, fue Dalton el que
realizó el primer modelo atómico basándose en tres postulados:
➢ 1º Cada elemento químico está formado por partículas diminutas e indivisibles llamadas
átomos. Dichos átomos son inmutables, no se pueden transformarse unos en otros.
➢ 2º Los átomos de un elemento tienen todos igual masa y las mismas propiedades; y son
distintos de los átomos de cualquier otro elemento.
➢ 3º Los compuestos químicos están formados por uniones de átomos que se llaman
moléculas. La proporción numérica entre ellos es simple y constante.
2. Modelos atómicos
2.1. Modelo de Dalton
Dalton supuso que los átomos eran esferas rígidas de diferente tamaño según el
elemento del que se tratara.
2.2. Modelo de Thomson
A principios del siglo XX Thomson descubre el electrón y con el la electricidad.
A partir de entonces el modelo del átomo de Dalton ya no tiene sentido: el
átomo se puede dividir en partículas más pequeñas: los electrones. Por ello,
Thomson propone un modelo atómico en el que modifica el de Dalton: el átomo
sigue siendo una esfera rígida pero ahora está cargada positivamente e,
incrustados en ella, están los electrones, que tienen carga negativa, de tal
manera que las cargas se anulan y el átomo tiene carga neutra.
Imagen tomada de Wikipedia
2.3. Modelo de Rutherford
Pocos años después, Rutherford realizó el
experimento de la lámina de oro y determinó que
el átomo según Thomson no era correcto.
2.3.1. El experimento de la lámina de oro es el
siguiente:
Bombardeó una lámina muy fina de oro con
partículas alfa (núcleos de helio, que son partículas
cargadas positivamente) y observó que un alto
porcentaje de partículas atravesaban la lámina sin
sufrir una desviación apreciable, pero un cierto
número de ellas eran desviadas significativamente.
Este hecho estaba en contradicción con el modelo
de Thomson, pues si los átomos son esferas
rígidas, todas las partículas alfa deberían rebotar al
llegar a la lámina de oro. Además, si los núcleos
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de helio se desvían ligeramente de su trayectoria se podría pensar que era debido a repulsiones
electrostáticas, por lo que cabría suponer que la carga positiva estaba concentrada en un pequeño
espacio dentro del átomo.
A partir de este experimento, Rutherford propone su modelo atómico:
➢ El átomo posee una zona central muy pequeña, que denominó
núcleo, que contiene casi toda la masa del átomo y contiene a
los protones, con carga positiva.
➢ Cada electrón gira en una órbita circular alrededor del núcleo.
➢ Como el átomo es eléctricamente neutro, la suma de las cargas
eléctricas negativas de los electrones es igual que la carga
positiva de los protones del núcleo.
Al poco tiempo, Chadwick descubre el neutrón, partícula que no tiene
carga, y lo incluyó dentro del núcleo atómico del modelo de Rutherford.
Imagen tomada de Wikipedia
2.4. Modelo de Bohr.
Varios años después, Bohr, discípulo de Rutherford, modifica el modelo atómico anterior teniendo
en cuenta nuevos descubrimientos hechos en el campo de la física. Su modelo se basa en 3
postulados:
➢ Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estacionarias sin emitir energía.
➢ Los electrones solo pueden girar alrededor del núcleo en órbitas, cada una de las cuales está
a una distancia fija del núcleo y tiene una energía propia.
➢ Cuando un electrón pasa de una órbita externa a una más interna, la diferencia de energía
entre ambas órbitas se emite en forma de radiación electromagnética.
El número de electrones que caben en las órbitas es distinto, y éste se calcula como 2n2, siendo n el
número de la órbita. La órbita más cercana al núcleo es la 1 o K, la siguiente la 2 o L, y así
sucesivamente:
n e- capa
1 2 K
2 8 L
3 18 M
4 32 N
5 50 O
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3. Representación de átomos
Los átomos están formados por 3 partículas:
partícula carga masa
electrón negativa ~1800 veces menor
protón positiva igual neutrón
neutrón neutra Igual que protón
La distribución en el átomo es la siguiente:
Núcleo: protones y neutrones.
Corteza: electrones en las órbitas al rededor del núcleo.
Cada órbita está ocupada por los electrones indicados con anterioridad, por lo que si queremos
representar un átomo lo haremos indicando los protones y neutrones en el núcleo y en la corteza los
electrones situados en tantas órbitas como sean necesarias.
Ejemplo 1
Representa el átomo de cloro, que posee 17 electrones, 17 protones y 18 neutrones.
Primeramente dibujamos el núcleo con los protones y neutrones.
Seguidamente, tenemos que distribuir los electrones en las órbitas:
• En la primera ponemos 2 electrones. Tenemos todavía que colocar: 17-2=15 e-.
• En la segunda colocamos 8 e-. Restan: 15-8=7 e-.
• Esos 7 e- irán en la tercera capa.
La manera de indicar las partículas que contiene un átomo o ion es mediante la siguiente
representación:
A
Z Xc
donde:
A → número másico: indica el número de protones (p+) y neutrones que tiene un átomo.
Z → número atómico: cantidad de protones que hay en el núcleo.
C → carga: si el átomo es neutro no tiene carga, si es un catión carga positiva y si es anión
negativa.
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Para calcular las partículas elementales que componen un átomo o un ion, podemos emplear las
siguientes fórmulas:
Z = p+ A = n + p+ (A = n + Z) c = p+ - e- (c = Z - e-)
Ejemplo 2
13
Calcula las partículas elementales de la siguiente especie química: C2+
6
Los protones los calculamos a partir de Z: p+= Z = 6
Conocidos los protones, a partir de A podemos determinar los neutrones:
A = n + p+ → 13 = n + 6 → n= 13 – 6 = 7
Los electrones los determinamos a partir de la carga:
c = p+ - e- → 2 = 6 – e- → e- = 6 - 2 = 4
Por lo tanto, el ion está formado por 6 protones, 7 neutrones y 4 electrones
4. Isótopos
Lo que caracteriza a un átomo es el número de protones, de tal manera que todos los átomos de
carbono, por ejemplo, tienen 6 protones en el núcleo. Pero nos podemos encontrar átomos de
carbono que tengan 6 neutrones y otros que tengan 7. Ambos son átomos de carbono, pero se
diferencian en el número de neutrones en el núcleo. Eso es un isótopo.
Isótopos: átomos de un elemento con igual número de protones pero distinto número de neutrones.
Como todos los isótopos forman parte del elemento en cuestión, la masa atómica del mismo vendrá
determinada por la masa de cada isótopo y su abundancia. Así, podemos calcular la masa de un
elemento de la siguiente forma:
mI · a1 +mI · a2 +...+mI · an
mX = 1 2 n
100
La masa de una especie química se medirá en unidades de masas atómicas (u ó u.m.a.) y como la
masa del electrón es casi 1800 veces menor que las otras 2 partículas, ésta dependerá de los
protones y neutrones que tenga.
Ejemplo 3
Determine la masa del átomo de cloro, sabiendo que tiene un isótopo de masa 35 u y cuya
abundancia es del 75,77% y otro de masa 37 u cuya abundancia es del 24,23%.
Para calcular la masa del átomo de cloro, aplicamos la fórmula y la obtenemos:
m · a +m Cl · a Cl
35 35 37 37 35 ·75,77+ 37 ·24,23
mCl= Cl Cl → m Cl= =35,4846 u
100 100
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5. Radiactividad
Se denomina radiactividad a la transformación de unos átomos en otros distintos mediante la
emisión de energía en forma de radiación.
No todos los átomos son radiactivos, sólo lo serán aquellos que presenten algún isótopo radiactivo.
5.1. Fusión y fisión nuclear.
Son los dos tipos de reacciones radiactivas, son reacciones nucleares que liberan mucha energía
proveniente del núcleo de un átomo.
5.1.1. Fisión.
Se trata de una reacción en la cual un núcleo de un átomo pesado e inestable se transforma en dos
átomos más ligeros, se emiten 2 o 3 neutrones y una gran cantidad de energía.
El total de las masas de los átomos formados es ligeramente inferior a la masa del átomo pesado. La
masa que falta es la que se transforma en energía (se puede calcular mediante la ecuación de
Einstein: E=m·c2).
Los neutrones, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con otros núcleos
fisionables que emitirán nuevos neutrones, y así sucesivamente. Este efecto se conoce como
reacción en cadena. (En una pequeña fracción de tiempo, los núcleos fisionados liberan una energía
un millón de veces mayor que la obtenida, por ejemplo, en la reacción de combustión de un
combustible fósil).
5.1.2. Fusión.
La fusión nuclear es una reacción en la que dos átomos muy ligeros se unen para formar un átomo
estable más pesado produciéndose un gran desprendimiento de energía.
Ahora, la masa del átomo formado es inferior a la suma de los que se fusionan. La difenrecia de
masa es la que se ha transformado en energía.
Para que tenga lugar la fusión, es necesario que los núcleos (que están cargados positivamente) se
junten en uno solo venciendo las enormes fuerzas electrostáticas repulsivas. Para que eso ocurra es
necesario muchísima energía.
imágenes tomadas de fronuclear.org
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5.2. Tipos de radiaciones radiactivas.
Existen 3 tipos de radiaciones:
➢ Radiación alfa (α): consiste en la emisión de 2 protones y 2 neutrones ( 42 He2 + un núcleo
de helio ) para formar una nueva partícula.
➢ Radiación beta (β): consiste en la transformación de un neutrón del núcleo en un protón y
un electrón. El protón se queda en el núcleo, transformándose el átomo en otro elemento y el
electrón se emite.
➢ Radiación gamma (γ): Este tipo de radiación está compuesta solamente por energía, que se
emite del núcleo de un átomo inestable para intentar estabilizarse.
Muchas veces, acompaña a las partículas α y β.
Como los 3 tipos de radiaciones son distintas, diferente es su poder de penetración en la materia.
Las partículas alfas penetran muy poco, sirviendo una simple hoja de papel o la película de piel
muerta para frenarlas, las betas son ligeramente más penetrantes, pero se pueden parar con una
lámina de aluminio de pocos milímetros de espesor. Las más penetrantes son las gamma, que
necesitan un muro de hormigón o varios centímetros de plomo para frenarlas.
Imagen tomada de cuentos-cuanticos.com
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Relación de problemas
1. Completa los huecos
2. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, indicando siempre el
razonamiento seguido y corrigiendo las que sean falsas.
a) Thomson consideró el átomo como una esfera maciza de materia cargada negativamente
en cuyo interior estaban incrustados los protones.
b) Rutherford propuso un modelo atómico según el cual el átomo está formado por un
núcleo pequeño en el que se encuentran los electrones y neutrones con los protones
girando en órbitas elípticas.
c) El protón tiene los mismos valores de masa y carga que el electrón pero la carga es
positiva.
d) Rutherford demostró que los átomos no son macizos, sino que están vacíos en su mayor
parte.
3. Indica las diferencias entre el modelo atómico de Dalton y Thomson.
4. ¿Cuáles son las diferencias entre el modelo de Rutherford y Bohr?
5. Señala las afirmaciones correctas:
a) En valor absoluto, la carga de un electrón y de un protón son iguales.
b) La carga de un protón y de un neutrón son iguales en valor absoluto.
c) El protón tiene carga negativa.
d) La masa de un neutrón y de un protón son muy diferentes.
e) La masa de un electrón es muy superior a la de un neutrón.
6. Indica, según el modelo atómico de Bohr, cuantas capas estarán con electrones y los
“huecos” que quedarían en la última capa ocupada para los siguientes átomos:
a) Hierro (Fe) 26 e-.
b) Boro (B) 5 e-.
c) Aluminio (Al) 13 e-.
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d) Plomo (Pb) 82 e-.
e) Radon (Rn) 86 e-.
f) Hidrógeno (H) 1 e-.
7. Completa el siguiente cuadro:
8. Realiza, según Bohr, la representación de los átomos del ejercicio 6.
9. El átomo de oro tiene un Z=79 y A=197. Calcula cuántos protones, electrones y neutrones
tiene un átomo de oro. ¿Dónde se encuentra cada partícula?
32 2+ 32 4 + 32 6 + 32 2 -
10. El azufre, presenta los siguientes iones: 16 S , 16 S , 16S , 16S . Indica los protones,
electrones y neutrones de cada ion.
11. Realiza la representación del átomo, según Bohr, de los iones del ejercicio anterior.
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12. Completa la tabla siguiente:
13. Completa el cuadro siguiente:
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14. Completa el cuadro siguiente
15. Completa:
16. El cobre existe en la naturaleza en dos isótopos de masa 63 u y 65 u. La abundancia relativa
de cada uno es 69,09 % y 30,91 % respectivamente. Calcula la masa atómica del cobre.
17. El magnesio tiene tres isótopos estables en la naturaleza: Mg-24, Mg-25 y Mg-26. Sus
abundancias son 78,7%, 10,1% y 11,2%. Calcula la masa atómica del elemento magnesio.
18. Si la masa atómica del boro es 10,81 u y sabemos que tiene dos isótopos, uno de ellos de
masa atómica 10 u, con una abundancia del 19 %, calcula la masa atómica del otro isótopo.
19. El litio tiene dos isótopos en la Tierra de números másicos 6 y 7. Sabiendo que la
abundancia del primero es 7,42 %, calcula la masa atómica de este elemento.
20. Sabiendo que el elemento plata, de masa atómica 107,87 u está formado por dos isótopos de
masa 108,90 u y 106.91 u, calcula la abundancia relativa de cada uno en la corteza terrestre.
21. El neón tiene dos isótopos, uno de masa 20 y otro de masa 22. Calcula sus proporciones si la
masa atómica del elemento es 20.02 u en la corteza terrestre.
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