TEMA: MODELOS ATOMICOS, Exámenes de Química

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TEORÍAS Y MODELOS ATÓMICOS

Profesor: Quím. Jorge C. Rojas Ramos

CICLO PREUNIVERSITARIO 2019 - 1

Al término de la sesión, el alumno estará en la capacidad de lo siguiente:

 Describir la evolución histórica de las teorías y modelos del átomo.

 Identificar las limitaciones de las teorías y modelos del átomo.

Logro

2. TEORÍA ATÓMICA – MOLECULAR DE DALTON (1808)

En su obra NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY (Nuevo

sistema de filosofía química) utiliza símbolos arbitrarios para

explicar cómo son los átomos y las moléculas.

De acuerdo a sus estudios con gases, Dalton retoma la teoría atomista, según la cual

plantea:

1 er Postulado : Los átomos son partículas esféricas indivisibles e indestructibles, aun en las

reacciones químicas más violentas.

2 do Postulado : Los átomos del mismo elemento son idénticos en todas sus propiedades,

especialmente en tamaño y masa.

3 er Postulado : Los átomos de elementos diferentes, son diferentes entre sí, en todas sus

propiedades.

4 to Postulado : Los átomos de dos elementos pueden combinarse en más de una relación

entera y sencilla para formar más de un compuesto.

NOTA: Dalton nunca acepto la idea que las moléculas estaría formada por átomos idénticos

o de un mismo elemento: H 2

, O 2

, N 2

, P 4

, etc., niega la existencia de isótopos.

3. RAYOS CATÓDICOS Y EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN

Los rayos catódicos fueron descubiertos por Julius Plucker

( 1859 ) y estudiados a más profundidad por J. Hittfor y

William Crookes ( 1886 ). Este último construyó el conocido

tubo de descargas.

Cátodo

(−)

Ánodo

(+)

Rayo catódico

William Crookes

La existencia de los electrones quedo en evidencia a través de los experimentos

realizados con los rayos catódicos, estos se producen con dos electrodos en un

tubo de vidrio sellado que contiene gas a presión muy baja (de 0 , 01 mmHg a 0 , 1

mmHg; luego de aplicar un alto voltaje (de 6 000 a 10 000 voltios) se desprenden

rayos en el cátodo (electrodo negativo) que viajan en línea recta, atraídos por el

ánodo (electrodo positivo)

cátodo

ánodo

Placas con carga

eléctrica

En 1897 , el científico inglés Joseph Thomson estudió con mas profundidad estas

partículas negativas, a las que llamo electrones como había sugerido ya anteriormente

Stoney. Entonces realizó mediciones de la desviación de los rayos catódicos para

diferentes campos magnéticos y eléctricos, después de lo cual logró obtener la relación

carga – masa del electrón:

cátodo

ánodo

imán

𝑒

−

𝑚

= 1 , 758 𝑥 10

8

𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜

La producción de los rayos catódicos no depende de la naturaleza del gas presente en

el tubo de descargas ni del tipo de material de los electrones o de la fuente de voltaje,

esto quiere decir que los electrones son partículas fundamentalmente presentes en

todos los átomos, situación que actualmente ha quedado plenamente demostrado

Rayos catódicos

Rayos X

Ánodo

Cátodo

Cuando los rayos catódicos chocan contra la superficie de un metal, empleado como

ánodo, se produce la emisión de una radiación electromagnética muy energética,

que por ser desconocida en aquella época se denominó “X”

4. RAYOS X. ROENTGEN, 1895

Los rayos X son una radiación electromagnética que tiene la propiedad de atravesar

cuerpos opacos. Fue descubierta accidentalmente por el físico alemán Wilhelm

Roentgen en 1895 al observar que unos extraños rayos atravesaban papel, metal y

la piel. Actualmente, los rayos X tienen una gran aplicación en todo el campo de la

medicina.

Primera radiografía médica de Wilhelm Röntgen de la mano

de su esposa Anna Bertha Ludwig

Los rayos X no poseen carga eléctrica ni masa; esto significa que no son flujos de

ninguna clase de partículas, por lo que no son corpusculares, son radiaciones

energéticas o electromagnéticas.

Actualmente se ha demostrado con cálculos

sofisticados que la carga del electrón es

1,6022 x 10

− 19

coulomb.

Luego de la relación carga-masa del electrón

se tiene:

Finalmente la masa del electrón es:

1 , 602 𝑥 10

− 19

𝐶

𝑚

= 1 , 758 𝑥 10

8

𝑐𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏

𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜

En 1909 , el físico norteamericano Robert A. Millikan llevo a cabo su

famoso experimento de las “gotas de aceite” logrando determinar la

carga de un electrón. En esta experiencia, un pulverizador o

atomizador inyecta gran cantidad de gotitas de aceite, las cuales se

cargan negativamente al ser previamente radiadas con rayos X.

Determinación de la Carga del Electrón

Gotas de aceite

Atomizador

Visor del

microscopio

Placa

cargada

(−)

(+)

Rayos X

Orificio

pequeño

Placa

cargada

m = 9,1095 x 10

− 28

g

6. EL PROTÓN Y LOS RAYOS CANALES

En 1886 , el físico alemán Eugen Goldstein observó una fluorescencia o brillo del

cátodo en un tubo de rayos catódicos cuando a la placa negativa se le había

practicado orificios; a estas radiaciones Goldstein las llamó rayos canales, los

cuales viajan en sentido contrario a los rayos catódicos y son partículas de cargas

positivas. Cada elemento químico gaseoso genera un catión distinto al ionizarse y

por ello su relación carga – masa (e-/m) es diferente.

Aunque la existencia de partículas positivas en el átomo fue señalada por el físico

alemán Wilhelm Wein en 1898. Experimentalmente se determinó su existencia en

1919 cuando Ernest Rutherford logró aislar al protón mediante una

transmutación nuclear, por ello se le considera el descubridor de esta partícula.

cátodo

Fuente

de voltaje

ánodo

Rayos

canales

Rayos catódicos

6. EXPERIMENTO DE RUTHERFORD Y

EL DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO ATÓMICO

Se observó que la mayoría de las partículas alfa ( 2

4

𝛼 ≈ 2

4

𝐻𝑒

2 +

) atravesaban la lámina

de oro sin sufrir desviación. Solo una pequeña cantidad de rayos alfa se desviaban

con ángulos de desviación o dispersión (𝜃) variables 0

o < 𝜃 ≤ 180 º y algunas

partículas alfa rebotaban totalmente.

Sostuvo que el átomo era hueco, es casi vacío y que los electrones son partículas

insignificantes que ocuparían espacios grandes girando alrededor del núcleo.

En 1911 , Rutherford (científico neozelandés) junto con sus

colaboradores Marsden y Geiger realizaron un experimento con la

finalidad de verificar el modelo atómico de Thomson.

Pantalla

fluorescente de ZnS

Se desvían

Lamina delgada de

oro, Al, etc

Material radioactivo

(Po – 214)

(fuente de rayos 𝛼)

Cámara

de plomo

Atraviesan sin cambiar de

dirección

7. MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD (1911)

Según Rutherford , el átomo es un sistema

dinámico con un núcleo de carga positiva y los

electrones giran a su alrededor siguiendo

trayectorias circulares concéntricas con gran

velocidad. Este modelo propuesto por

Rutherford se conoce como “ modelo planetario ”

Según cálculos efectuados por Rutherford

D = 10

4 d → V A

12 V N

Donde V A

= volumen del átomo V N

= volumen del núcleo

Inconsistencias del modelo atómico de Rutherford

De acuerdo a la física clásica (ley de la electrodinámica) toda

partícula cargada que se encuentra acelerada emite energía

continuamente por lo que generaría un espectro continuo para el

átomo oponiéndose a lo observado realmente, es decir espectros

de líneas (espectros discontinuos).

Además un electrón al perder energía iría acercándose al núcleo describiendo una

trayectoria espiral, hasta colapsar. Si el átomo colapsa, nada podría existir.

¿Qué es la Luz?

Newton (físico inglés)

Yo creo que la luz es un

fenómeno corpuscular

(teoría corpuscular – 1678)

Huygens (científico holandés)

Yo creo que la luz es un

fenómeno ondulatorio

(teoría ondulatoria – 1668)

Issac Newton , en el siglo XVII, demostró que la luz que provenía del sol o un

sólido incandescente, como el filamento de una bombilla, (luz blanca), al pasar

a través de un prisma, se descomponía en lo colores del arco iris. El espectro

que se obtiene es continuo , contiene radiaciones de todas las longitudes de

onda, desde el rojo al violeta, es decir, entre unos 400 a 700 nm.

El espectro visible es continuo porque entre la banda de colores no hay

ninguna sombra oscura.

• Con este experimento se pudo demostrar que la luz se podía interferir

constructiva y destructivamente, y que por lo tanto era una onda.

• La difracción, la interferencia y la polarización demuestran el carácter

ondulatorio de la luz, en cambio en la refracción y reflexión de la luz se

desprecia el carácter ondulatorio y se adopta que esta se propaga

rectilíneamente a través de un medio, es decir como un rayo luminoso.

• Mas adelante con el efecto fotoeléctrico en 1905 se explica el

comportamiento corpuscular de la luz.

Experimento de Thomas Young (1801)

Experimento de la doble rendija

Zonas de luz (interferencia constructiva) y oscuridad

(interferencia destructiva) que se puede ver en la pantalla.

Consecuencias del experimento de Young (1801)

• En un principio la teoría ondulatoria de Huygens no fue aceptada y se tomo la

teoría corpuscular de Newton ( 1670 )

• Paso más de un siglo hasta que los trabajos de Young ( 1801 ) permitieron

demostrar la naturaleza ondulatoria de la luz.

• Todos los estudios anteriores permitieron avanzar en el estudio de las ondas

luminosas y llevar a la teoría electromagnética de Maxwell.

La luz como onda electromagnética

• Planteada por el físico ingles James Maxwell en 1873. A través

de cálculos matemáticos desarrolló la idea de que la luz es una

onda electromagnética (OEM).

• Las ondas electromagnéticas las generan cargas eléctricas aceleradas.
• Se pueden transmitir en el aire o vacío; con una velocidad constante de 3 x 10

8

m/s.

• Las OEM son transversales, por que el campo eléctrico (

𝐸) y magnético (

𝐵) son

perpendiculares.

• Todas las OEM experimentan los fenómenos de reflexión, refracción, difracción,

interferencia y polarización al igual que la luz visible que es una OEM.

• Las OEM transportan energía y cantidad de movimiento.