A finales del siglo XVIII y principios del XIX fueron descubriéndose, de forma experimental, las relaciones entre las masas y los volúmenes de las sustancias que intervienen en una transformación química. Con el objeto de dar explicación a estas relaciones, enunciadas mediante las «leyes ponderales y volumétricas», Dalton y Avogadro elaboraron, a principios del siglo XIX, la «teoría atómico-molecular de la materia»
A.1. Enuncia las hipótesis de la teoría atómica de Dalton y explica cómo permitieron justificar las leyes ponderales de las transformaciones químicas que habían sido obtenidas experimentalmente.
La teoría atómica de Dalton permitió justificar las leyes ponderales, sin embargo, no logra explicar la «ley de los volúmenes de combinación de Louis Joseph Gay-Lussac, 1808»
La interpretación de esta ley fue realizada por Avogadro en 1811, que introduce el concepto de molécula como unidad estructural de los compuestos, haciendo el concepto extensivo a elementos como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro y otros elementos gaseosos (considera que sus moléculas son biatómicas), y enuncia la ley conocida con el nombre de hipótesis de Avogadro:
«Volúmenes iguales de gases diferentes, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas»
A.2. Justifica por qué la teoría atómica de Dalton no lograba explicar la reacción de síntesis del amoniaco, según la cual, un litro de gas nitrógeno se combina con tres litros de gas hidrógeno para dar dos litros de amoniaco gas
¿Es el átomo más complejo de lo que supuso Dalton?
Llegar a idea de átomo que hoy poseemos no ha sido tarea fácil. Una de las fases más apasionantes de la Ciencia fue precisamente aquella en que, aceptada la Teoría atómica de Dalton, se trató de dilucidar su estructura
A finales del siglo XIX se pensaba que los átomos no podían ser partículas indivisibles, sino que debían tener una estructura interna a partir de la cual fuera posible explicar algunos hechos poco claros:
¿A qué puede deberse que elementos de masas atómicas muy diferentes, pero situados en la misma columna del sistema periódico, tengan propiedades muy semejantes? ¿Cómo explicar que elementos cuyos átomos tienen masas atómicas bastante próximas tengan propiedades tan distintas? ¿Cómo y por qué se enlazan unos átomos con otros para formar distintas sustancias químicas? La electrización por frotamiento. Se sabía que friccionando dos sustancias neutras se pueden electrizar. Si, según Dalton, los átomos son los mismos antes y después de friccionar ¿cómo se produce la electrización? La electrólisis. En 1830, Faraday, investigó reacciones químicas provocadas por la corriente eléctricaA.3. Consulta y explica brevemente el fenómeno de la electrólisis
La radiactividad descubierta casualmente por el físico francés Henri Becquerel en 1896 cuando estudiaba la fosforescencia de ciertos minerales de uranioA.4. Consulta y explica brevemente el fenómeno de la radiactividad
Espectros luminosos. En el siglo XIX se sabía que la emisión de luz, y en general de cualquier tipo d radiación, por los cuerpos era consecuencia del movimiento acelerado de cargas eléctricas. Por consiguiente, si los átomos emitían luz había que concluir que debían de existir cargas eléctricas asociadas de alguna manera a los átomos.A.5. Consulta y explica brevemente cómo funciona un tubo de descarga y su uso para la emisión de radiación
A.6. Explica qué son los espectros atómicos de emisión y de absorción y su característica fundamental
A.7. ¿En que idea puede confluir la interpretación de los fenómenos de electrólisis, radiactividad y la existencia de espectros atómicos?
Los hechos enumerados anteriormente ponían en cuestión que el átomo pudiera consistir únicamente en una sola partícula elemental sin una estructura interna, pero fue el descubrimiento de una partícula mucho más pequeña que el más pequeño de los átomos y con carga eléctrica, lo que condujo a la elaboración del primer modelo atómico.
Un modelo científico es una estructura lógica que se utiliza para dar explicación a un conjunto de fenómenos que guardan entre sí ciertas relaciones. Un modelo debe poder explicar los fenómenos observados y predecir los no observados, así como justificar, cualitativa y cuantitativamente, los datos obtenidos en la experimentación. Cuando se descubren nuevos hechos que el modelo no puede justificar o contradicen sus predicciones, deja de tener validez, es necesario modificarlo o reemplazarlo por otro.
DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN (RAYOS CATÓDICOS)
DESCUBRIMIENTO DE PARTÍCULAS CON CARGA POSITIVA (RAYOS CANALES)
A.8. Analiza la información aportada por los experimentos con tubos de descarga a muy baja presión (una cienmilésima de la presión atmosférica) y a la vista de ellos sugiere, como lo hizo Thomson, cuál podría ser la naturaleza de los rayos catódicos
A.9. Explica por qué las partículas que forman los rayos canales tienen una masa que depende del gas empleado, mientras que las partículas que forman los rayos catódicos tienen siempre la misma masa ¿Por qué tienen ambas la misma carga en valor absoluto? ¿Qué sugiere la existencia de estos rayos canales?
Comprobada la presencia de electrones en el átomo, de los que incluso logró calcular la relación entre su carga y su masa, y teniendo en cuenta que la materia es neutra, Thomson publicó en 1904 un modelo atómico que consistía en una masa esférica positiva homogénea, de baja densidad, en la que se encontraban incrustados los electrones
A.10.
Con el fin de determinar la distribución de la masa y la carga en el átomo y confirmar la validez del modelo de Thomson, Ernest Rutherford llevó a cabo en 1911 un experimento en el que bombardeó una fina lámina de oro con un haz de partículas alfa (α), procedentes de una muestra radiactiva de polonio (las partículas alfa son núcleos de átomos de helio, por lo que tienen carga positiva)
La mayoría de las partículas α atravesaban la lámina de oro sin sufrir desviación, muy pocas experimentaban desviaciones apreciables, y de éstas solamente unas cuantas sufrían una desviación mayor de 90º (salían rebotadas)
A.11. Las partículas α de las emisiones radiactivas tienen una masa cuatro veces superior a la del átomo de hidrógeno, están cargadas con una carga doble que la del electrón (pero positiva) y se emiten con velocidades del orden de 20.000 km/s. Se pide:
a) Si el modelo atómico de Thomson era correcto, ¿qué resultados eran de esperar cuando una lámina muy delgada de oro fuera atravesada por un haz muy fino de tales partículas? Haz un dibujo
b) A la luz los resultados experimentales obtenidos, realiza un dibujo representativo de cómo podría ser el átomo
Las conclusiones que se derivan de esta experiencia llevaron a Rutherford a proponer un nuevo modelo atómico casi vacío con un núcleo, donde están reunidas todas las cargas positivas y casi toda la masa del átomo, y una corteza, donde están los electrones girando alrededor del núcleo para impedir que, debido a la atracción electrostática, se precipiten sobre él
A.12. El diámetro de un cierto átomo polielectrónico es del orden de 10-8 cm y el de su núcleo del orden de 10-14 cm. Si el núcleo aumentase de tamaño hasta alcanzar el diámetro de una pelota de ping-pong (3,5 cm), ¿cuál será el diámetro total del átomo en kilómetros?
En 1919 Rutherford y Chadwick detectaron por primera vez el protón al bombardear ciertos átomos con partículas alfa. La masa del protón es unas 1840 veces la masa del electrón
En 1930 Bothe y Becker observaron una nueva radiación muy penetrante al someter una muestra de berilio a la acción de las partículas alfa. En 1932 Chadwick determinó que se trataba de partículas neutras, a las que denominó neutrones, con masa próxima a la del protón. Estas nuevas partículas debían ocupar el núcleo del átomo, junto con los protones, y contribuyen a la masa de éste
CRISIS DEL MODELO NUCLEAR DE RUTHERFORD
Su modelo presentaba importantes limitaciones:
De acuerdo con la física clásica, toda carga eléctrica acelerada emite radiación electromagnética lo que conlleva una emisión de energíaA.13. ¿Qué crees que ocurrirá con un cuerpo que gira, como lo hace un electrón, si cada vez va teniendo menos energía?
En el modelo de Rutherford el electrón puede pasar por todas las órbitas posibles y, por tanto, la radiación emitida debía de ser continuaA.14. Explica como son los espectros atómicos, ¿por qué el modelo de Rutherford no está de acuerdo con el espectro de emisión de los átomos?
El modelo no explica como elementos de masa muy similar (como el helio y el litio) tienen propiedades diferentes, y, en cambio, elementos como el litio y el potasio tengan propiedades tan semejantesA.15. ¿Cuál puede ser la causa de las diferencias y las semejanzas de propiedades observadas entre los elementos de la tabla periódica?
