Estructura de la Materia
OBJETIVOS
Al terminar este capítulo, el lector debe ser capaz de realizar lo siguiente:
1. Relatar la historia del átomo.
2. Identificar la estructura del átomo.
3. Describir las capas electrónicas y la inestabilidad dentro de la estructura atómica.
4. Comentar la radiactividad y las características de las partículas alfa y beta.
5. Explicar las diferencias entre las dos formas de radiación ionizante: de partículas y electromagnética.
CONTENIDO
Los siglos del descubrimiento
El átomo griego
El átomo de Dalton
El átomo de Thomson
El átomo de Bohr
Partículas fundamentales
Estructura atómica
Configuración del electrón
Energía de enlace electrónico
Nomenclatura atómica
Combinaciones de átomos
Radiactividad
Radioisótopos
Semivida radiactiva
Tipos de radiación ionizante
Radiación por partículas
Radiación electromagnética
Resumen
Como un sistema solar en miniatura, el átomo de Bohr establece el fundamento para la interpretación moderna de la estructura de la materia. Un átomo es la parte más pequeña de un elemento y una molécula es la parte más pequeña de un compuesto.
Las tres partículas fundamentales del átomo son el electrón, el protón y el neutrón. Los electrones son partículas cargadas negativamente que orbitan alrededor del núcleo en disposiciones o capas que se mantienen fijas por las fuerzas electrostáticas.
Las reacciones químicas se producen cuando electrones de la capa más exterior son compartidos o cedidos a otros átomos. Los nucleones, los neutrones y los protones tienen aproximadamente 2.000 veces la masa de los electrones. Los protones están cargados positivamente y los neutrones no tienen carga.
Los elementos están agrupados en una tabla periódica en orden creciente de complejidad. Los grupos en la tabla indican el número de electrones de la capa más externa. Los elementos en el mismo período de la tabla tienen el mismo número de capas orbitales.
Algunos átomos presentan el mismo número de protones y de electrones que otros elementos, pero distinto número de neutrones, dando al elemento una masa atómica diferente. Son los isótopos.
Algunos átomos que contienen demasiados o muy pocos neutrones en el núcleo se pueden desintegrar. Esto se llama radiactividad. Dos tipos de emisión de partículas derivadas de la desintegración radiactiva son las partículas alfa y beta. La semivida de un elemento radiactivo o un radioisótopo es el tiempo requerido para que la cantidad de radiactividad se reduzca a la mitad de su valor original.
La radiación ionizante puede ser por partículas o bien electromagnética. Las partículas alfa y beta producen radiación por partículas. Las partículas alfa tienen cuatro unidades de masa atómica, son de carga positiva y se originan en el núcleo de elementos pesados. Las partículas beta tienen un número másico de cero y una unidad negativa de carga. Las partículas beta se originan en el núcleo de átomos radiactivos.
Los rayos X y los rayos gamma son formas de radiación electromagnética llamados fotones. Estos rayos no tienen masa ni carga. Los rayos X se producen en las capas electrónicas y los rayos gamma son emitidos desde el núcleo de un radioisótopo.
Preguntas de autoevaluación
1. Defina o identifique los siguientes términos:
a. Fotón.
b. Átomo de Rutherford.
c. Positrón.
d. Nucleones.
e. Disposición de la tabla periódica de los elementos.
f. Semivida radiactiva.
g. W (¿a qué elemento químico corresponde?).
h. Partículas alfa.
i. Capa K.
j. Compuesto químico.
2. La figura 3-1 muestra los siguientes tamaños aproximados: un átomo, 10–10 m; la Tierra, 107m. ¿En cuántos órdenes de magnitud difieren estos dos objetos?
3. ¿Cuántos protones, neutrones, electrones y nucleones hay en los siguientes elementos?
4. Utilizando los datos de la tabla 3-1, determinar la masa del 99Tc en unidades de masa atómica y en gramos.
5. Dibuje un diagrama de la configuración teórica del 40Ca.
6. Si existiesen átomos suficientemente grandes como para tener electrones en la capa T, ¿cuál sería el número máximo de electrones permitidos en dicha capa?
7. ¿Cuánto mayor es la fuerza de unión en la capa electrónica K del tungsteno que a) en la capa electrónica L, b) en la capa electrónica M y c) en los electrones libres? (V. fig. 3-9.)
8. De la siguiente lista de núclidos, identificar conjuntos de isótopos, isóbaros e isótonos.
9. Sr tiene una semivida de 29 años. Si en 1950 estuviesen presentes 10 Ci (3,7×1011 Bq), ¿aproximadamente cuánto quedaría en 2010?
10. Completar la tabla siguiente con los valores relativos.
11. ¿Por qué es recordado Mendeleïev? 12. ¿Quién desarrolló el concepto de átomo como un sistema solar en miniatura?
13. Enumerar las partículas fundamentales del átomo. 14. ¿Qué propiedad del átomo describe la energía de enlace? 15. ¿Se pueden ionizar los átomos cambiando el número de cargas positivas? 16. Describir cómo se forman los pares iónicos.
17. ¿Qué determina las propiedades químicas de un elemento?
18. ¿Por qué un electrón no escapa espontáneamente del núcleo de un átomo?
19. Describir la diferencia entre emisión alfa y beta. 20. ¿Cómo determina la datación del carbono-14 la edad de la madera petrificada?
Al terminar este capítulo, el lector debe ser capaz de realizar lo siguiente:
1. Relatar la historia del átomo.
2. Identificar la estructura del átomo.
3. Describir las capas electrónicas y la inestabilidad dentro de la estructura atómica.
4. Comentar la radiactividad y las características de las partículas alfa y beta.
5. Explicar las diferencias entre las dos formas de radiación ionizante: de partículas y electromagnética.
CONTENIDO
Los siglos del descubrimiento
El átomo griego
El átomo de Dalton
El átomo de Thomson
El átomo de Bohr
Partículas fundamentales
Estructura atómica
Configuración del electrón
Energía de enlace electrónico
Nomenclatura atómica
Combinaciones de átomos
Radiactividad
Radioisótopos
Semivida radiactiva
Tipos de radiación ionizante
Radiación por partículas
Radiación electromagnética
Resumen
Como un sistema solar en miniatura, el átomo de Bohr establece el fundamento para la interpretación moderna de la estructura de la materia. Un átomo es la parte más pequeña de un elemento y una molécula es la parte más pequeña de un compuesto.
Las tres partículas fundamentales del átomo son el electrón, el protón y el neutrón. Los electrones son partículas cargadas negativamente que orbitan alrededor del núcleo en disposiciones o capas que se mantienen fijas por las fuerzas electrostáticas.
Las reacciones químicas se producen cuando electrones de la capa más exterior son compartidos o cedidos a otros átomos. Los nucleones, los neutrones y los protones tienen aproximadamente 2.000 veces la masa de los electrones. Los protones están cargados positivamente y los neutrones no tienen carga.
Los elementos están agrupados en una tabla periódica en orden creciente de complejidad. Los grupos en la tabla indican el número de electrones de la capa más externa. Los elementos en el mismo período de la tabla tienen el mismo número de capas orbitales.
Algunos átomos presentan el mismo número de protones y de electrones que otros elementos, pero distinto número de neutrones, dando al elemento una masa atómica diferente. Son los isótopos.
Algunos átomos que contienen demasiados o muy pocos neutrones en el núcleo se pueden desintegrar. Esto se llama radiactividad. Dos tipos de emisión de partículas derivadas de la desintegración radiactiva son las partículas alfa y beta. La semivida de un elemento radiactivo o un radioisótopo es el tiempo requerido para que la cantidad de radiactividad se reduzca a la mitad de su valor original.
La radiación ionizante puede ser por partículas o bien electromagnética. Las partículas alfa y beta producen radiación por partículas. Las partículas alfa tienen cuatro unidades de masa atómica, son de carga positiva y se originan en el núcleo de elementos pesados. Las partículas beta tienen un número másico de cero y una unidad negativa de carga. Las partículas beta se originan en el núcleo de átomos radiactivos.
Los rayos X y los rayos gamma son formas de radiación electromagnética llamados fotones. Estos rayos no tienen masa ni carga. Los rayos X se producen en las capas electrónicas y los rayos gamma son emitidos desde el núcleo de un radioisótopo.
Preguntas de autoevaluación
1. Defina o identifique los siguientes términos:
a. Fotón.
b. Átomo de Rutherford.
c. Positrón.
d. Nucleones.
e. Disposición de la tabla periódica de los elementos.
f. Semivida radiactiva.
g. W (¿a qué elemento químico corresponde?).
h. Partículas alfa.
i. Capa K.
j. Compuesto químico.
2. La figura 3-1 muestra los siguientes tamaños aproximados: un átomo, 10–10 m; la Tierra, 107m. ¿En cuántos órdenes de magnitud difieren estos dos objetos?
3. ¿Cuántos protones, neutrones, electrones y nucleones hay en los siguientes elementos?
4. Utilizando los datos de la tabla 3-1, determinar la masa del 99Tc en unidades de masa atómica y en gramos.
5. Dibuje un diagrama de la configuración teórica del 40Ca.
6. Si existiesen átomos suficientemente grandes como para tener electrones en la capa T, ¿cuál sería el número máximo de electrones permitidos en dicha capa?
7. ¿Cuánto mayor es la fuerza de unión en la capa electrónica K del tungsteno que a) en la capa electrónica L, b) en la capa electrónica M y c) en los electrones libres? (V. fig. 3-9.)
8. De la siguiente lista de núclidos, identificar conjuntos de isótopos, isóbaros e isótonos.
9. Sr tiene una semivida de 29 años. Si en 1950 estuviesen presentes 10 Ci (3,7×1011 Bq), ¿aproximadamente cuánto quedaría en 2010?
10. Completar la tabla siguiente con los valores relativos.
11. ¿Por qué es recordado Mendeleïev? 12. ¿Quién desarrolló el concepto de átomo como un sistema solar en miniatura?
13. Enumerar las partículas fundamentales del átomo. 14. ¿Qué propiedad del átomo describe la energía de enlace? 15. ¿Se pueden ionizar los átomos cambiando el número de cargas positivas? 16. Describir cómo se forman los pares iónicos.
17. ¿Qué determina las propiedades químicas de un elemento?
18. ¿Por qué un electrón no escapa espontáneamente del núcleo de un átomo?
19. Describir la diferencia entre emisión alfa y beta. 20. ¿Cómo determina la datación del carbono-14 la edad de la madera petrificada?
