Martn Luther King Profesora: Yanssuy Lages Pastn Adult School Ciencias Naturales/ Qumica C.E.I.A La Serena

Mdulo I: Teora atmica de la materia

Introduccin

Este mdulo da inicio al segundo nivel del estudio de las Ciencias Naturales. En primer lugar se aborda el

estudio de la estructura del tomo. Se trabajaran los modelos atmicos de Rutherford y el modelo de Bohr,

los aportes de Louis de Broglie, en el sentido de que las ondas pueden comportarse como partculas y stas

pueden exhibir propiedades ondulatorias (solucionando as la naturaleza dual que se haba propuesto para el

electrn. De igual modo, al iniciar el estudio de los radioistopos, se han considerado los aportes de

Becquerel y del matrimonio Curie.

En este mismo sentido, podra resultar interesante sealar que fue Rutherford quien descubri las partculas

y emitidas por el uranio, Villard quien descubri la existencia de los rayos , y finalmente Soddy quien

plante que un elemento qumico es una mezcla de tomos de iguales propiedades qumicas, pero que

pueden diferir en su masa, denominndose istopos a los tomos de un mismo elemento que tienen

diferentes masas.

Adems, en el presente mdulo se discutir acerca de los pro y los contra en el uso de los istopos

radioactivos; que conozcan sus usos en medicina (por ejemplo, el yodo radioactivo para localizar trastornos

de la glndula tiroides o tumores cerebrales), en agricultura (esterilizacin de semillas, control de plagas,

almacenamiento de ciertos alimentos, etc.), en estudios arqueolgicos, etc. Asimismo, es importante que

conozcan los riesgos en el uso de la radioactividad, como por ejemplo, el cuidado que deben de tener las

mujeres embarazadas con las radiografas de rayos X o la excesiva exposicin a estos mismos rayos cada vez

que nos tomamos una radiografa.

Finalmente, el mdulo aborda el tema de la formacin de molculas y macromolculas como por ejemplo:

las protenas, la sal comn, el agua.

Unidades de aprendizaje:

Unidad 1: Estructura atmica.

Unidad 2: Enlace qumico.

Aprendizajes esperados:

Al desarrollar este mdulo se espera que los y las estudiantes:

Comprendan el concepto de tomo como la unidad ms pequea de la materia, que se encuentra

constituida por partculas subatmicas.

Reconozcan los constituyentes del ncleo y su relacin con los fenmenos radioactivos.

Reconozcan los aportes de cientficos, hombres y mujeres, al desarrollo de la investigacin en el

mbito de la radiactividad y su impacto en la sociedad.

Expliquen que la configuracin electrnica de un tomo informa cmo estn distribuidos los

electrones entre los diversos orbitales atmicos.

Comprendan que los tomos se unen entre s mediante enlaces qumicos para formar molculas.

Relacionen la unin intermolecular con la formacin de macromolculas.

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Unidad 1: Estructura atmica

La historia del tomo una partcula pequea que se crea indivisible y que

constituye todo lo que tiene masa y ocupa espacio (materia) comienza

hace ms de 2.500 aos, en la poca de los griegos. Desde esos tiempos han

existido diversas teoras, primero referidas a su existencia, y posteriormente

a su estructura. Las teoras sobre el tomo tomaron fuerza hace

aproximadamente 200 aos y desde ah han sido muchas las personas que

con sus ideas y experimentos nos han ayudado a comprender a esta

pequea partcula y con ello, a toda la materia.

Una de las primeras ideas sobre los tomos fue que estos eran esferas

indivisibles, hasta que se descubri que en su interior existan partculas de carga negativa que eran liberadas

bajo ciertas condiciones (electrones). Esta idea dio paso a un modelo muy popular; el budn de pasas

planteado por Thomson, que luego sera desechado con el descubrimiento del ncleo atmico, para dar paso

al modelo planetario planteado por Rutherford. Aunque muchas de las teoras que han sido propuestas en

este tiempo no han sido correctas (o del todo correctas), se transformaron en el punto de partida para la

idea moderna sobre el tomo. Esta idea se resume en el modelo mecano-cuntico, cuyo desarrollo se lo

debemos a notables fsicos que supieron trabajar en conjunto y utilizar los aciertos y, sobre todo, los errores

de otros.

Modelos atmicos de la materia

Teora atmica de Dalton: En 1808, John Dalton plante la primera teora atmica. Los

principales postulados de su teora fueron: 1. Toda la materia est formada por tomos.

2. Los tomos son partculas diminutas e indivisibles. 3. Los tomos de un elemento son

idnticos y poseen igual masa. 4. Los tomos de diferentes elementos se combinan de

acuerdo a nmeros enteros y sencillos, formando los compuestos. 5. En una reaccin

qumica se produce un reordenamiento de tomos. 6. En una reaccin qumica los

tomos no se crean ni se destruyen.

Modelo atmico de Thomson: Joseph Thomson (1856-1940), experimentando

en un tubo de descarga, observ que con el paso de corriente elctrica se

producan unos rayos de luz dentro del tubo, a los cuales llam rayos catdicos.

Con esta experiencia demostr que los rayos eran haces de partculas con carga

negativa, a los que llam electrones (e): primeras partculas subatmicas

confirmadas experimentalmente. De acuerdo a este descubrimiento, y

considerando que la materia es neutra, Thomson propuso un modelo de tomo,

el cual se representaba como una esfera compacta cargada positivamente, en la

que se insertan los electrones cuya carga total es equivalente a la carga de la esfera positiva, as el conjunto

resultara neutro. Este modelo es conocido con el nombre de budn de pasas.

Modelo atmico de Rutherford: Ernest Rutherford (1871-1937) junto a otros dos cientficos hicieron el

siguiente experimento: impactaron una lmina de oro con partculas alfa emitidas por una sustancia

radiactiva. Los resultados fueron los siguientes: 1. La mayora de las partculas alfa atravesaba la lmina. 2.

Una pequea parte atravesaba la lmina con una pequea desviacin. 3. Una mnima parte chocaba con la

lmina y se devolva hacia su origen.

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Rutherford estableci que el tomo estaba formado por una regin central, muy pequea, llamada ncleo,

en la cual se concentran las cargas positivas y la mayor parte de la masa de un tomo. El resto del tomo es

un espacio prcticamente vaco, esta zona ocupa la mayor parte del volumen del tomo. El tomo es neutro,

porque tiene el mismo nmero de cargas positivas en el ncleo y de cargas negativas girando alrededor de

l.

Descubrimiento del neutrn: las observaciones de Rutherford y otras experiencias afirmaron la presencia de

cargas positivas en el ncleo, a las que llam protn (p+), sin embargo, esta confirmacin no explicaba la

diferencia en las masas de algunos elementos, por lo que deba existir otra partcula en el ncleo. En 1932,

James Chadwick (1891- 1972), al bombardear una lmina de berilio con partculas , comprob la emisin de

partculas de muy alta energa y elctricamente neutras. A esta partcula la llam neutrn (n).

Modelo atmico de Brh: Niels Bohr (1885-1962) plante un nuevo

modelo atmico, el cual indicaba lo siguiente: 1. Los electrones giran

en rbitas fijas y definidas, llamadas niveles de energa. 2. Los

electrones que se encuentran en niveles ms cercanos al ncleo

poseen menos energa de los que se encuentran lejos de l. 3.

Cuando el electrn se encuentra en una rbita determinada no emite

ni absorbe energa. 4. Si el electrn absorbe energa de una fuente

externa, puede saltar a un nivel de mayor energa. 5. Si el electrn

regresa a un nivel menor, debe emitir energa en forma de luz

(fotn). Se conoce como estado fundamental o nivel basal, al estado

en que el electrn se encuentra en la rbita que le corresponde. Y se denomina estado excitado al estado

que alcanza el electrn de un tomo luego de ser energizado.

Los electrones en un tomo no estn distribuidos al azar alrededor del ncleo. En 1913, Niels Bohr propuso

que los electrones se encuentran distribuidos en diferentes niveles energticos.

Teora cuntica y efecto fotoelctrico: en 1900, Max Planck (1858- 1947) plante que los tomos y las

molculas emitan o absorban energa solo en cantidades discretas. A esa mnima cantidad de energa

emitida o absorbida en forma de radiacin electromagntica, la llamo cuanto. Cinco aos despus, Albert

Einstein (1879- 1955), tomando en cuenta lo propuesto por Planck, explica el efecto fotoelctrico, propiedad

que presentan algunos metales de emitir electrones cuando inciden sobre estos una luz de determinada

frecuencia.

Fotn

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Modelo atmico cuntico: Basado en el principio de dualidad onda-corpsculo y en el principio de

incertidumbre de Heisenberg: 1924, Louis de Broglie (1892- 1977), concluy

que las ondas se comportan como partculas y que estas muestran propiedades

ondulatorias. Toda partcula en movimiento lleva asociada una onda. 1927,

considerando el carcter ondulatorio y corpuscular del electrn, Werner

Heisenberg (1901- 1976) plante el principio de incertidumbre, el cual indicaba

que era imposible conocer simultneamente la posicin y el movimiento de un

electrn. Mientras ms exacta sea la determinacin de una de las variables,

ms inexacta ser la otra.

Orbital atmico: en mecnica cuntica se define orbital como la zona del espacio donde existe mayor

probabilidad de encontrar un electrn.

El modelo cuntico es el modelo atmico ms actualizado y el que se considera ms exacto. Los

electrones no se mueven en rbitas como postulaba el modelo de Bhr, sino que en niveles de energa, con

sus respectivas orbitas. En cada orbital van los electrones. Slo puede haber un mximo de 2 electrones por

cada orbital.

Radiacin electromagntica

En 1873, James Maxwell propuso que la luz visible (la luz que nosotros podemos ver) se compone de

ondas electromagnticas. Especficamente, Maxwell propuso un modelo que describe con exactitud

cmo se puede propagar la energa en forma de radiacin a travs del espacio como una vibracin de

campos elctricos y magnticos. A partir de este momento, llamaremos radiacin electromagntica a la

emisin y transmisin de energa en forma de ondas electromagnticas.

Las ondas electromagnticas son un tipo especial de onda, las cuales tienen un componente de campo

elctrico y campo magntico. A pesar de lo lejana que puede sonar esta definicin, todos nosotros

convivimos a diario con ellas, pues son de este tipo las ondas de radio, los rayos X, las ondas de los

celulares y las de los hornos microondas, por mencionar algunas.

Las ondas electromagnticas viajan a 3 x 108 m/s (trescientos millones de metros por segundo), o sea a

1080 millones de kilmetros por hora (km/h). Ese valor corresponde a la velocidad de la luz. Para que

tengas una idea de qu tan rpido viaja la luz, considera que es 9 millones de veces ms rpido que la

velocidad mxima permitida para un automvil en las carreteras de nuestro pas (120 km/h).

Los fuegos artificiales: En muchas ciudades de nuestro pas y del mundo se acostumbra a lanzar fuegos

artificiales para celebrar el Ao Nuevo u otras fiestas importantes. Los colores que vemos en los

espectculos pirotcnicos se pueden explicar con modelo de Bohr. En su interior, adems de explosivos,

los fuegos artifi ciales llevan compuestos que contienen ciertos metales (potasio, sodio, estroncio, bario,

por ejemplo). Una vez que sucede la explosin, el calor que ella libera provoca la excitacin de los

electrones del metal y con ello su ascenso a otro nivel energtico. Pasados unos breves instantes, los

electrones que se encuentran en niveles superiores al que les corresponde comienzan a retornar a su

estado basal (nivel original), para lo cual deben liberar el exceso de energa en forma de luz (fotn). Esta

liberacin de energa es lo que nosotros vemos como colores. As, la diferencia entre los colores de los

fuegos artificiales, se debe a la presencia de metales diferentes en cada uno de ellos.

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La figura a continuacin muestra diversos tipos de radiacin electromagntica con distinta longitud de

onda y frecuencia. Las ondas largas de radio se transmiten mediante grandes antenas, como las usadas

en telecomunicaciones.

Las ondas de luz visible, ms cortas que las de radio, se deben al movimiento de los electrones en los

tomos y molculas. Las ondas ms cortas, frecuencia ms alta, son los rayos gamma (), que se forman

por los cambios dentro del ncleo del tomo.

A. Los rayos gamma tienen las frecuencias ms altas y las menores longitudes de onda. Debido a que los

rayos gamma son los ms energticos del espectro electromagntico, pueden atravesar la mayora de las

sustancias.

B. Los rayos X tienen menor frecuencia que los rayos gamma, pero se consideran rayos con alta energa.

Estos rayos atraviesan los tejidos blandos del cuerpo, pero son detenidos por tejidos ms duros, como los

huesos.

C. Las ondas ultravioleta son ligeramente ms energticas que las ondas de luz visible. La radiacin

ultravioleta es la parte de la luz del Sol que provoca quemaduras en los seres vivos. El ozono, ubicado en la

estratsfera, absorbe la mayora de la energa ultravioleta del Sol.

D. Las ondas de luz visible son la parte de del espectro electromagntico a la que son sensibles nuestros

ojos. Nuestros ojos y cerebro interpretan las diferentes frecuencias como diferentes colores. La gama de

todos los colores que somos capaces de distinguir, se denomina espectro visible.

E. Las ondas infrarrojas tienen menor energa que la luz visible. Experimentamos los rayos infrarrojos como

el calor que irradian algunos objetos o cuerpos calientes. El cuerpo humano, as como muchos otros objetos

calientes (calentadores, por ejemplo), emiten radiacin infrarroja.

F. Las microondas son ondas de baja frecuencia y baja energa que se usan para las comunicaciones y para

cocinar (horno microondas).

G. Las ondas de radio tienen las menores frecuencias del espectro electromagntico. En la banda de radio

AM, el intervalo de las frecuencias va desde 550 kHz (kilohertz) hasta 1700 kHz, mientras que las longitudes

de onda oscilan desde casi 200 m hasta 600 m, o sea, ms que una cuadra promedio.

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Naturaleza dual del electrn: Una partcula y una onda al mismo tiempo!

Los fsicos quedaron fascinados pero intrigados con la teora de Bohr. Cuestionaban por qu las energas del

electrn del hidrgeno eran cuantizadas, es decir, por qu el electrn en el tomo de Bohr est limitado a

girar alrededor del ncleo a una distancia fija (rbitas circulares)? Durante una dcada, nadie tuvo una

explicacin lgica para esto, ni siquiera el mismo Bohr, hasta que en 1924, el misterio fue resuelto por Louis

de Broglie, quien postul que los electrones se pueden comportar dualmente, o sea, de dos formas a la vez:

como partcula (cuerpo con masa) y como onda.

Marie Curie (1867 1934): fue una fsica y qumica de origen polaco y una de las cientficas ms

reconocidas de su poca. Adems, es sin lugar a dudas la mujer ms destacada en toda la historia de la

ciencia. Mara Sklodowska (nombre de soltera) naci en Varsovia (Polonia) en 1867. Hija de un profesor,

estudi en su pas natal hasta 1891, poca en la que se fue a Pars a estudiar fsica y matemtica a la

Sorbonne (famosa universidad francesa), y donde cambi su nombre a Marie. Dos aos ms tarde acab

sus estudios de fsica con el nmero uno de su promocin. En 1894 conoci a Pierre Curie. En ese

momento, los dos trabajaban en el campo del magnetismo.

Marie Curie estaba interesada en los recientes descubrimientos de los nuevos tipos de radiacin. Wilhelm

Rntgen haba descubierto los rayos X en 1895, y en 1896 Antoine Henri Becquerel descubri que el

uranio emita radiaciones invisibles similares. Por todo esto comenz a estudiar las radiaciones del uranio

y, utilizando las tcnicas piezoelctricas inventadas por Pierre, midi cuidadosamente las radiaciones en la

pechblenda, un mineral que contiene uranio. Cuando vio que las radiaciones del mineral eran ms intensas

que las del propio uranio, se dio cuenta de que tena que haber elementos desconocidos, incluso ms

radiactivos que el uranio.

Marie Curie fue la primera en utilizar el trmino radiactivo para describir a los elementos que emiten

radiaciones cuando se descomponen sus ncleos. Mientras tanto, Pierre acab su trabajo sobre el

magnetismo para unirse a la investigacin de su esposa, y en 1898 el matrimonio anunci el

descubrimiento de dos nuevos elementos: el polonio (Marie le dio ese nombre en honor de su pas de

nacimiento) y el radio.

Los esposos Curie, junto a Becquerel, recibieron el Premio Nobel de Fsica en 1903 en reconocimiento de

los extraordinarios servicios que han prestado con sus investigaciones de la radioactividad, descubierta por

el profesor Henri Becquerel, convirtindose Marie en la primera mujer en recibir este galardn. Sin

embargo, para los Curie, esta gloria fue un desastre; muy reservados ambos y devorados por la misma

pasin por la investigacin, sufrieron al verse apartados de ella y al ver su laboratorio invadido de gente

inoportuna, periodistas y fotgrafos.

Los descubrimientos no terminaron ah. Posteriormente Pierre investig los efectos del radio sobre su piel

y not que produca una quemadura que evolucionaba rpidamente a herida. Estas investigaciones

hicieron que se comenzara a usar el radio en el tratamiento de tumores malignos, naciendo as la

Curieterapia, posteriormente llamada radioterapia.

Pero lleg el da en que los 35 aos de manipulacin del radio, las mltiples radiaciones y cuatro aos

colaborando con equipos de rayos X en la primera guerra mundial, le pasaron la cuenta. En mayo de 1934,

Marie cay en cama y no volvi a levantarse. Los mdicos le diagnosticaron una leucemia con anemia

perniciosa severa. El 4 de julio de 1934, a los 66 aos de edad, Marie dej de existir por culpa de su

preciado radio.

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De Broglie, tomando como base la explicacin del efecto fotoelctrico propuesto por Einstein, en que las

ondas luminosas (luz) se comportaban tambin como partcula, pens que quizs las partculas como los

electrones tambin pueden tener propiedades ondulatorias, o sea, comportarse como ondas. De acuerdo

con de Broglie, un electrn se comporta como una onda estacionaria, la cual debe tener una longitud de

onda tal, que la onda pueda cerrarse en una circunferencia, generando las rbitas permitidas que

mencionaba Bohr. Adems, la teora propuesta por de Broglie confirmaba la cuantizacin dentro del tomo

al proponer una relacin entre la energa del electrn (como onda) con el tamao de la rbita: la rbita no

puede tener cualquier tamao, pues la onda (electrn) debe calzar dentro de

ella. Luego, el electrn no puede tener cualquier energa.

Finalmente, Louis de Broglie lleg a la conclusin de que las ondas se comportan

como partculas y las partculas presentan propiedades de onda, y estableci una

ecuacin que relaciona las propiedades de una con las propiedades de la otra,

vale decir, relacion las propiedades de una partcula con las propiedades

ondulatorias. Aunque dicha ecuacin se aplica a distintos sistemas, las

propiedades ondulatorias solo se observan en objetos submicroscpicos. Poco

tiempo despus de que de Broglie formulara su ecuacin, Clinton Davisson y

Lester Germer, en Estados Unidos y G.P. Thomson, en Inglaterra, demostraron

que los electrones poseen propiedades ondulatorias. Al dirigir un rayo de electrones sobre una delgada

lmina de oro, Thomson detect una serie de anillos concntricos en una pantalla, similar a lo que se observa

cuando el experimento se realiza con rayos X (que son ondas).

La tcnica empleada por estos cientficos para demostrar que los electrones tienen comportamiento de onda

(ondulatorio), es la base del microscopio electrnico, cuya evolucin ha permitido desarrollar microscopios

de alta tecnologa que hoy en da nos permiten, por ejemplo, ver tomos.

Nmero atmico y Masa atmica

Nmero atmico (Z): es el nmero de protones que tiene un

tomo en su ncleo. Cuando los tomos son neutros, el nmero

de protones coincide con el nmero de electrones.

Nmero msico (A): es el nmero total de protones ms

neutrones que tiene un tomo en su ncleo.

De las ecuaciones anteriores se puede obtener el nmero de

neutrones.

Istopos

Los istopos son tomos que tienen el mismo nmero atmico pero diferente nmero de masa, es decir, son

los mismos elementos pero con diferentes nmeros de neutrones en su ncleo. Todos los istopos de un

elemento presentan las mismas propiedades qumicas, ya que estas se relacionan con el nmero de

electrones. Sin embargo, presentan algunas diferencias en sus propiedades fsicas, como la masa o la

capacidad de desintegrarse radioactivamente.

Un tomo no puede tener cualquier cantidad de neutrones. Hay combinaciones "preferidas" de neutrones y

protones, en las cuales las fuerzas que mantienen la cohesin del ncleo parecen balancearse mejor. Los

elementos ligeros tienden a tener tantos neutrones como protones; los elementos pesados aparentemente

necesitan ms neutrones que protones para mantener la cohesin. Los tomos con algunos neutrones en

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exceso o no los suficientes, pueden existir durante algn tiempo, pero son inestables. Los tomos inestables

son radioactivos: sus ncleos cambian o se desintegran emitiendo radiaciones.

Los istopos radiactivos son los ms frecuentes, existiendo ms de 1200, mientras que la cantidad existente

de istopos estables no supera los 300. Quizs el trmino estabilidad, no sea el ms correcto, pues hay

muchos istopos que podramos clasificarlos como, casi estables, pues aunque son radiactivos, posee una

vida bastante larga, en comparacin con la edad de nuestro planeta.

Tambin debemos nombrar a los radioistopos, un tipo de istopos radiactivos, caractersticos por su

inestable ncleo atmico, los cuales emiten una energa y unas partculas al cambiar de forma, para

convertirse en una partcula ms estable. Cada uno de los radioistopos posee un periodo de desintegracin

o vida caractersticas. Sus energas liberadas son principalmente en forma de rayos alfa (tambin llamados

ncleos de helio), rayos beta (formados por electrones o tambin positrones) y/o rayos gamma (es la

energa de tipo electromagntico).

Este tipo de radioistopos, radiactivos e inestables, tienen a menudo utilidad mdica, cuando por ejemplo,

se usan para reconocer vasos sanguneos que se encuentran bloqueados. Mientras que los istopos

naturales frecuentemente se usan para realizar dataciones arqueolgicas.

Nmero cuntico

Nmero cuntico principal (n): Especifica el nivel

energtico del orbital, siendo el primer nivel el de

menor energa, y la probabilidad de encontrar

electrones es mayor (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Nmero cuntico secundario (l): describe la forma geomtrica del orbital. Determina el subnivel de energa,

su valor se designa segn las letras s, p, d y f.

Nmero cuntico de espn (ms): da a conocer el sentido de rotacin del electrn en torno a su eje cuando se

mueve dentro de su orbital.

Configuracin Electrnica

Es la forma en la cual se distribuyen los electrones en los orbitales de un

tomo en su estado fundamental. Para distribuirlos correctamente se deben

considerar los siguientes principios:

Principio de mnima energa: el estado fundamental, de mnima energa, es

el ms estable. Los electrones deben ocupar los orbitales en orden creciente

de energa, empezando por los ms cercanos al ncleo.

Principio de exclusin de Pauli: Cada orbital acepta como mximo 2

electrones, los que deben tener espines contrarios.

Regla de Hund: Los electrones van ocupando un subnivel, de forma de que cada electrn adicional que entra

se ubique en orbitales diferentes con el mismo espn.

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Cmo escribir configuraciones electrnicas: para escribir configuraciones se debe: 1. Buscar el nmero de

electrones que tiene el tomo, es decir, su Z. 2. Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energa,

comenzando por el ms cercano al ncleo (n=1), segn la regla de las diagonales (describe el orden de

llenado de los electrones, los que tienden siempre a ubicarse en los orbitales de menor energa). 3. Respetar

la capacidad mxima de cada subnivel (subnivel S= 2 electrones; subnivel P=6; subnivel D= 10; subnivel F=

14).

Configuracin electrnica abreviada: algunos elementos tienen la cantidad de electrones precisa para no

dejar niveles de energa (n) incompletos. Los elementos que hacen esto se denominan gases nobles y se

ubican en la ltima columna (ltimo grupo) de la tabla peridica de los elementos.

Por su caracterstica de tener niveles de energa completos, los gases nobles, utilizan para abreviar la

configuracin electrnica de todos los elementos, salvo el hidrgeno (H). Para ello, se pone el smbolo de un

gas noble entre parntesis cuadrados en reemplazo de los subniveles completos y luego se escriben solo las

subcapas faltantes. Los gases nobles son: helio (He) Z=2; nen (Ne) Z=10; argn (Ar) Z= 18; kriptn (Kr) Z=

36; xenn (Xe) Z= 54; radn (Rn) Z = 86.

Tabla Peridica de los Elementos

Ms de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se

descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este perodo los qumicos

observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas

en sus propiedades fsicas y en sus comportamientos qumicos. El

reconocimiento de estas similitudes, as como la necesidad de

organizar la creciente informacin sobre los elementos, motiv a los

qumicos a desarrollar la tabla peridica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que

tienen propiedades fsicas y qumicas semejantes.

El orden de los elementos se hace desde menor a mayor nmero a atmico (Z). Los elementos aparecen

agrupados en filas y columnas. Las filas o perodos se disponen en lneas horizontales y las columnas o

grupos en lneas verticales. La ubicacin de los elementos en los grupos se ha hecho de acuerdo a la

configuracin electrnica del nivel ms externo, sin embargo, el trabajo de construir una tabla peridica

comenz mucho antes de que se conociera la existencia de protones y electrones.

Desarrollo de la tabla peridica: En el siglo XIX, cuando los qumicos solo tenan una vaga idea respecto de

los tomos y las molculas, se desarrollaron numerosos intentos para organizar los elementos hasta ese

entonces conocidos.

Estos intentos son los antecesores de nuestra tabla peridica y en general se desarrollaron, utilizando el

conocimiento que hasta ese entonces se tena sobre las masas atmicas muchas de ellas ya determinadas

con exactitud en esa poca. As, dos de las propuestas ms destacadas para ordenar los elementos pero no

las nicas antes del sistema que utilizamos en la actualidad fueron dos:

1. La ley de las octavas de Newlands. En 1864, John Newlands1 observ que cuando los elementos se

ordenaban segn sus masas atmicas, algunas propiedades se repetan cada ocho elementos igual que en las

octavas musicales, por lo que a la agrupacin de los elementos, le llam Ley de las Octavas. Por ejemplo, el

Configuracin electronic lineal: 1s2- 2s2- 2p6 -3s2- 3p6- 4s2- 3d10- 4p6- 5s2- 4d10-5p6- 6s2- 4f14-

5d10- 6p6- 7s2- 5f14- 6d10- 7p6

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litio (Li) tena propiedades similares a las del sodio (Na), que se encontraba a ocho espacios de distancia.

Esta ley de las octavas no funcionaba para elementos con masa atmica superior a la del calcio (Ca), por lo

cual el trabajo de Newlands fue rechazado por la comunidad cientfica.

2. La tabla peridica propuesta por Mendeleev y Meyer. En

1869, el qumico ruso Dmitri Mendeleev y el qumico

alemn Lothar Meyer, cada uno por su lado, propusieron

una nueva forma de ordenar los elementos que se basaba

en la repeticin peridica y regular de sus propiedades.

Aunque ambos qumicos partieron de una base similar, el

trabajo de Mendeleev super al de Meyer y con mayor

razn al de Newlands, al dejar espacios vacos dentro de su

tabla peridica los que deban ser ocupados por elementos

que en esa poca an no se haban descubierto, como por

ejemplo el Galio, a quien llam Ekaaluminio, queriendo decir que ese elemento an desconocido era el

primero debajo del aluminio.

Basado en el estudio de las propiedades de los elementos que estaban relacionados con el Ekaaluminio,

Mendeleev predijo datos como la masa atmica, punto de fusin y densidad de esa especie. Cuando

finalmente se descubri el galio en 1875 y fue evidente la impresionante precisin de las predicciones de

Mendeleev, su tabla peridica se volvi muy aceptada.

Originalmente, la tabla de Mendeleev incluy los 66 elementos conocidos hasta la fecha, y ya para 1900 se

haban incorporado cerca de 30 elementos ms, ocupando algunos de los espacios que se haban dejado

vacos. No obstante, a pesar del gran xito de la tabla de Mendeleev, el hecho de que la masa atmica no

creciera siempre a lo largo del ordenamiento peridico indicaba que la base de la periodicidad no estaba en

la masa atmica, sino en otra propiedad. Por ejemplo, el argn (Ar) se encontraba antes del potasio (K) a

pesar que este ltimo tena una masa menor.

3. Tabla peridica moderna: En 1913, el joven fsico ingls Henry Moseley4, descubri una forma de

determinar el nmero atmico de un elemento y con ello, pudo notar que salvo algunas excepciones, el

nmero atmico suba en la misma cantidad que la masa atmica. Dentro de estas excepciones estaban el

argn (Ar) y el potasio (K), descubrimiento que dio paso a un ordenamiento peridico basado en el nmero

atmico y no ms en la masa atmica. Con esto, se explicaban y corregan las irregularidades que existan

en el ordenamiento de Mendeleev, pues el problema que significaba que el argn (Ar) estuviera ubicado

antes que el potasio (K) en la tabla peridica a pesar que la masa de este ltimo era menor, se solucionaba al

saber que el argn tena un nmero atmico de 18 y el potasio de 19. La tabla peridica que utilizamos en la

actualidad ordena los elementos por nmero atmico creciente.

La tabla peridica moderna, que ordena a los elementos qumicos segn su nmero atmico (Z), esconde

tambin una estrecha relacin entre los elementos que pertenecen a un mismo grupo. Cul ser? Observa

las siguientes configuraciones electrnicas abreviadas: Hidrgeno, H (Z=1): 1s1; Litio, Li (Z=3): [He] 2s1; Sodio,

Na (Z=11): [Ne] 3s1, etc.

Si buscas en la tabla peridica en la pgina 240 los elementos recin configurados, notars que todos ellos

pertenecen a un mismo grupo, el grupo IA (o 1A), pero que estn en diferentes periodos. El hidrgeno (H)

est en el periodo 1, el litio (Li) en el 2, el sodio (Na) en el 3, el potasio (K) en el cuarto periodo y as

sucesivamente. Entonces, de qu parte de la configuracin electrnica depender el grupo y el periodo en

que se ubica un elemento? Una vez que tenemos la configuracin electrnica (completa o abreviada) de un

elemento qumico, podemos determinar su localizacin dentro de la tabla peridica de forma muy sencilla: 1.

Para determinar el periodo del elemento, basta encontrar el valor de n ms alto escrito a lo largo de la

configuracin. 2. Para determinar el nmero de grupo de un elemento, en la numeracin antigua de los

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grupos (que tiene directa relacin con la configuracin electrnica), debemos contar la cantidad de

electrones que existen en los niveles de energa incompletos, vale decir, aquellos que se encuentran en las

capas que han quedado incompletas a lo largo de la configuracin electrnica. Es importante notar que CASI

siempre, el nmero de electrones en niveles incompletos coincide con los electrones que quedan fuera del

gas noble en la configuracin electrnica abreviada.

Ejemplo: La configuracin electrnica completa del circonio, Zr (Z = 40) es 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10

4p 6 5s 2 4d 2. De ah, podemos notar que el n ms grande escrito a lo largo de toda la configuracin

electrnica fue 5, por tanto, el periodo del circonio ser 5.

Zr (Z = 40), de configuracin electrnica abreviada [Kr] 5s2 4d 2 , los electrones de niveles incompletos son

aquellos que quedaron fuera del gas noble, es decir cuatro electrones, los dos electrones de la subcapa 5s y

los dos electrones de la subcapa 4d. Por tanto, el circonio pertenece a un grupo IV (o 4).

Clasificacin de los elementos

Los elementos qumicos que se organizan en la tabla peridica se pueden clasificar segn dos criterios:

Clasificacin segn estructura electrnica: Al analizar la figura

podemos notar que dentro de la tabla peridica existen

bloques:

Elementos representativos: Son aquellos que pertenecen a los

bloques s y p, sin contar al grupo VIIIA (gases nobles). Como las

configuraciones electrnicas de los elementos se encuentran

terminadas en s y en p, los elementos representativos son

aquellos que pertenecen a grupos A.

Gases nobles: Son aquellos que tienen todos sus niveles

electrnicos completos. Su configuracin electrnica termina

en ns2 np6 y conforman el grupo VIII A (8A), tambin llamado grupo cero (0).

Elementos de transicin: Son aquellos que pertenecen al bloque d. Como su configuracin electrnica

termina en orbitales d, los elementos de transicin son aquellos que pertenecen a grupos B.

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Elementos de transicin interna: Son aquellos que pertenecen al bloque f, vale decir, los elementos que

pertenecen a las series de lantnidos y actnidos. A la serie de los lantnidos antiguamente se le llamaba

tierras raras.

Clasificacin segn propiedades estructurales y elctricas: las propiedades estructurales y elctricas de los

elementos se derivan de su comportamiento frente a los electrones. De esta forma, tenemos cuatro

clasificaciones posibles para los elementos:

Metales: Son elementos con tendencia a

ceder electrones. Dentro de sus propiedades

estn: ser buenos conductores del calor y la

electricidad, tener brillo, ser dctiles, ser

maleables y tener, en general, altos puntos

de fusin. Corresponde a la gran mayora de

los elementos conocidos.

En este punto es importante mencionar que

adems de todas aquellas sustancias que

nosotros vemos como slidos brillantes a las

que llamamos naturalmente metales (por

ejemplo: el cobre de los cables elctricos, el

aluminio de las latas de bebida, el hierro de

los clavos, etc.), se suman otras sustancias

que por ser muy reactivas casi no se encuentran aisladas y no se pueden utilizar para hacer objetos de uso

cotidiano (por ejemplo, el sodio).

No metales: Son elementos con tendencia a ganar electrones. Dentro de sus propiedades est: ser malos

conductores del calor y la electricidad (o sea, propiedades de aislante), no tener brillo, y tener bajos puntos

de fusin y ebullicin.

Metaloides: Tambin llamados anfteros, son elementos que presentan tendencias intermedias entre los

metales y los no metales.

Gases nobles: Son gases monoatmicos poco reactivos (helio, nen, argn, kriptn, xenn y radn). Se les ha

denominado errneamente como gases raros o gases inertes. El primer nombre (raros) no es apropiado

pues el argn (Ar) no es raro en la naturaleza, es el tercer gas ms abundante de la atmsfera. La segunda

denominacin (inertes), tampoco es apropiada, ya que se han descubierto compuestos de xenn (Xe). El

nombre actual (gases nobles) se acepta porque sugiere una reactividad baja pero importante.

Propiedades Peridicas

Carga nuclear efectiva (Zef): es la carga neta que

afecta a un electrn. Los electrones ms cercanos al

ncleo poseen una mayor atraccin que aquellos

electrones ms externos.

Radio atmico (RA): es la distancia entre los ncleos

de tomos adyacentes de un mismo elemento.

Radio inico (RI): es el radio que tiene un tomo

cuando a perdido (catin) o ganado (anin)

electrones para formar un compuesto.

Energa de ionizacin (EI): es la energa mnima

necesaria para separar el electrn ms externo de

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un tomo en estado gaseoso, el cual se convierte en un catin. Cuan mayor sea la energa de ionizacin ms

difcil ser extraer un electrn.

Afinidad electrnica (AE): es la energa que libera un tomo cuando capta un electrn, el tomo se convierte

en un anin, cuanto mayor es la afinidad electrnica de un elemento, mayor es la tendencia de formar

aniones.

Electronegatividad (EN): es la capacidad que tiene un tomo de atraer hacia si los electrones de otro tomo

en un enlace qumico.

Actividades

1. Qu es la emisin electromagntica? Nombra dos ejemplos de la vida cotidiana. Dibuja el diagrama de las

emisiones electromagnticas, sealando aquellas que atraviesan la atmsfera.

2. Los electrones giran en cualquier parte dentro del tomo? Expliquen su respuesta.

3. Qu significa que el electrn sea partcula y onda a la vez? y qu implica?

4. En qu consiste el principio de incertidumbre? y, qu implicancias tuvo para el desarrollo de la teora

atmica?

5. Resume brevemente los postulados del Bohr para el tomo y seala cules de ellos an se consideran

verdaderos y cules han sido desechados. En este ltimo caso, explica con detalle la razn por la que han

sido rechazados y cambiados.

6. Con respecto al modelo cuntico actual: has una lnea cronografa de los hechos ms relevantes que se

obtuvieron para llegar a unificarlos en un solo modelo.

7. Qu es un istopo? Cul es su importancia en la actualidad? Todos los elementos que presentan

istopos son estables? Fundamenta tu respuesta.

8. De los siguientes elementos, indiquen: a) la cantidad de protones, neutrones y electrones; b) el smbolo

del elemento cuando corresponda y c) el nombre del elemento.

Elemento Smbolo Z A Protones Electrones Neutrones

Selenio Se 34 79 34 34 45

Ne 10 20

Carbono 6 12

O 8 16

N 7 14

Calcio 20 40

14

Galio 31 70

Flor 9 19

Fe 26 56

Cromo 24 52

I 53 127

Oro 79 197

Kriptn 36 84

Zn 30 65

Boro 5 11

Mg 12 24

Azufre 16 32

Co 27 59

Molibdeno 42 96

Zr 40 91

9. De los siguientes tomos, realicen la configuracin electrnica de cada uno de ellos.

1s2- 2s2- 2p6 -3s2- 3p6- 4s2- 3d10- 4p6- 5s2- 4d10-5p6- 6s2- 4f14- 5d10- 6p6- 7s2- 5f14- 6d10- 7p6

Elemento Smbolo Z Configuracin electrnica

Boro B 5 1s2 2s2 2p1

Helio He 2

Magnesio Mg 12

Sodio Na 11

Calcio Ca 20

Rubidio Rb 37

15

Aluminio Al 13

Berilio Be 4

Bromo Br 35

Cobalto Co 27

Nquel Ni 28

Argn Ar 18

Hidrgeno H 1

Fsforo P 15

Azufre S 14

Litio Li 3

Carbono C 6

Flor F 9

Potasio K 19

Titanio Ti 22

Zinc Zn 30

Selenio Se 34

Yodo I 53

Kriptn Kr 36

Nen Ne 10

Xenn Xe 54

Radn Ra 86

Oxgeno O 8

Nitrgeno N 7

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10. Indica en los siguientes elementos el nombre de los elementos y su configuracin electrnica abreviada,

adems revelen a qu grupo y perodo pertenecen.

Smbolo Nombre Z Configuracin electrnica Grupo y periodo

B 5 He 2s2 2p1 3 y 2

He 2

Mg 12

Na 11

Ca 20

O 8

Al 13

Be 4

Br 35

S 16

H 1

P 15

Si 14

Li 3

C 6

F 9

K 19

17

Ti 22

Cl 17

N 7

Cu 29

Hg 80

Ra 88

Ne 10

11. Cuntos electrones puede haber en un orbital atmico?, por qu?

12. En qu orden se llenan los orbitales atmicos?, de qu depende?

13. Qu es la configuracin electrnica?, y para qu sirve?

14. En qu consiste el principio de mnima energa y cmo se aplica al realizar la configuracin electrnica

para un tomo cualquiera?

15. En qu consiste el principio de exclusin de Pauli y cmo se aplica al realizar la configuracin electrnica

para un tomo cualquiera?

16. En qu consiste el principio de mxima multiplicidad de Hund y cmo se aplica al realizar la

configuracin electrnica para un tomo cualquiera?

17. Indica las caractersticas del modelo atmico postulado por Thomson en 1903.

18. Cmo varan las propiedades de la tabla peridica en sus grupos? Qu razones o motivos existen para

que en un grupo, a medida que aumenta el volumen atmico, disminuya la electroafinidad?

19. Qu determino Rutherford con su experimento de la lmina de oro?

20. Cules fueron los aportes del matrimonio Curie a la qumica actual? Fundamenta tu respuesta.

21. Haz un cuadro comparativo de ambas clasificaciones de la tabla peridica. Cul es la ms acertada?

Fundamenta.

22. En tu cuaderno dibuja una tabla peridica, sealando en ella los grupos (g) del 1 al 18 y perodos (p) del 1

al 7. Una vez lista la tabla en ella seala la ubicacin de los siguientes elementos: H (g1; p1), He (g18; p1), Ba

(g2; p6), Zn (g12; p4), F (g17; p2), As (g15; p4), Cl (g17; p3), Fe (g8; p4), Hg (g12; p6), Mo (g6; p5), Ca (g2; p4),

Br (g17; p4), Ra (g2; p7), I (g17; p5), Be (g2; p2), C (g14; p2), Ni (g10; p5), Na (g1; p3), O (g16; p2), Cu (g11; p4)

23. Nombra los elementos anteriormente mencionados