Tema 3 La materia. Propiedades eléctricas y el átomo.

1. Tema 3La materia. Propiedades eléctricas y el átomo.

2. 1.- LA ELECTRICIDAD: REPASO HISTÓRICO La palabra electricidad procede de la palabra griega elektron que significa ámbar. “Ámbar” es una palabra árabe que significa “lo que flota en el mar”, y es que esta sustancia tiene esa propiedad: flota sobre el agua del mar. El ámbar es una sustancia de origen vegetal que producen algunos árboles y plantas. Aunque podemos encontrarlo en varios colores diferentes, el más característico es el amarillo anaranjado. El ámbar es utilizada para hacer joyas, por eso mucha gente piensa que es un mineral desconociendo su origen vegetal. Son de hecho las únicas joyas que se hacen con materiales vegetales.

3. La electricidad es una propiedad que posee la materia (aunque no esté continuamente manifestándose) que observó por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto (año 600 a.C.) al frotar con piel un trozo de ámbar, tras lo cual pudo comprobar que esa sustancia era capaz de atraer trocitos de pluma o de materiales ligeros. Se pensó entonces que el ámbar era el único material que poseía esta propiedad.

4. Aunque hubo sabios antiguos que intentaron profundizar en el estudio de la electricidad, tuvieron que pasar más de dos mil años hasta que se avanzó en el conocimiento de esta propiedad.

5. En concreto fue el médico personal de la reina Isabel I de Inglaterra, William Gilbert, quien a comienzos del siglo XVII (en 1600) llevó a cabo un estudio con el que dedujo que la propiedad que Tales de Mileto había observado que presentaba el ámbar, la tenían también otros cuerpos, como el vidrio, el azufre o la sal y que esta propiedad se manifiesta cuando los cuerpos se frotan.

6. Gilbert clasificó los materiales en: Materiales eléctricos: aquellos materiales que después de ser frotados con piel eran capaces de atraer pequeños trozos de materiales ligeros. Materiales no eléctricos: aquellos materiales que a los que no atraían a pequeños trozos de materiales ligeros después de ser frotados con piel. William Gilbert inventó además un instrumento llamado versorio que detectaba si los materiales eran eléctricos o no eléctricos.

7. El francés Charles du Fay afirma en el siglo XVIII que todos los materiales son eléctricos. Algunos materiales (los que Gilbert llamó eléctricos) atraían trocitos de materiales ligeros al ser frotados con piel (y también se comprobó si eran frotados con lana) y los materiales que no lo hacían (a los que Gilbert llamó no eléctricos) bastaba frotarlos con seda en vez de hacerlo con piel o lana para que fueran capaces de atraer pequeños materiales ligeros.

8. Así Du Fay hizo una clasificación nueva de los materiales y de la electricidad llamando: Electricidad resinosa:a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con piel o lana (como el ámbar, de ahí el nombre). Electricidad vítrea: a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con seda (como el vidrio, de ahí su nombre).

9. También observó Dy Fay que al acercar dos materiales con el mismo tipo de electricidad se repelían; es decir, intentaban alejarse uno del otro. De la misma manera comprobó que al acercar dos materiales con distinta electricidad se atraían; es decir, intentaban unirse.

10. También en el siglo XVIII, pero un poco más tarde, el científico americano Benjamin Franklin defendió que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados entre sí. Así denominó electricidad positiva a la que poseían los materiales que ganaban fluido al ser frotados con otros materiales y electricidad negativa a la que poseían los materiales que perdían parte de su fluido al ser frotados con otros materiales.

11. 2.- PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR SI UN CUERPO ESTÁ CARGADO Un cuerpo se dice que está cargado cuando está manifestando que posee electricidad. Para determinar si un cuerpo está cargado o no se pueden utilizar los siguientes aparatos: el electroscopio, el péndulo eléctrico y el versorio.

12. 2.1.- El electroscopio Fue inventado por el físico francés Jean AntoineNollet a mediados del siglo XVIII. Este instrumento consiste en un recipiente de vidrio cerrado con un tapón de corcho que está atravesado por una barra metálica en uno de cuyos extremos (el que queda fuera del recipiente) posee una bola metálica y en el otro extremo (el que queda dentro del recipiente) posee dos láminas también metálicas. Para saber si un material está cargado, basta tocar con él la bola metálica del electroscopio y observar lo que sucede con las láminas. Si estas se separan es porque el material está cargado y si no se mueven es porque el material no está cargado.

13. 2.2.- El péndulo eléctrico Para comprobar si un cuerpo está cargado, primero hay que electrizar la bola del péndulo (en la pregunta siguiente veremos tres formas de hacerlo) y a continuación bastará con acercar el cuerpo a la bola del péndulo. Si esta se mueve significa que el cuerpo que hemos acercado está cargado y si no se mueve es porque no lo está. Si además sabemos la carga del péndulo, podemos averiguar también la carga del cuerpo. Si al acerca el cuerpo al péndulo este se mueve alejándose de él, es porque el cuerpo tiene la misma carga que el péndulo. Este instrumento, también del siglo XVIII, fue ideado por el físico francés Coulomb y consiste el una bola aislante colgada de un hilo. Si al acercar el cuerpo al péndulo este se mueve acercándose al cuerpo, significa que tienen distintas cargas.

14. 2.3.- El versorio Fue inventado por William Gilbert en el siglo XVII y consiste en una guja metálica clavada a una base y en cuyo extremo lleva un par de aspas.  Para averiguar si un cuerpo está cargado basta acercarlo a las aspas del versorio. Si estas se mueven significa que el cuerpo está cargado y si no se mueven es porque no lo está.

15. 3.- FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO Electrizar un cuerpo consiste en conseguir que manifieste que posee electricidad. Hay varias formas de hacerlo: Por frotación:ya hemos visto que determinados cuerpos quedan electrizados al ser frotados con piel o lana (como el ámbar) y el resto al ser frotados con seda (como el vidrio).

16. Por contacto:podemos electrizar un cuerpo al ponerlo en contacto con otro que esté electrizado, además adquirirá la misma carga que la que tenga el objeto que ya estaba electrizado. Por inducción:podemos electrizar un cuerpo acercándolo a otro cuerpo (sin tocarlo) que esté cargado. En este caso la carga del cuerpo que está electrizado atraerá las cargas del signo contrario del cuerpo que queremos electrizar, produciéndose una reordenación de sus cargas que deja electrizado el cuerpo.

17. 4.- LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN EL ÁTOMO Actualmente sabemos que dentro del átomo hay tres tipos de partículas, todas ellas descubiertas en el siglo XIX: J. J. Thomson fue un científico británico nacido a finales de 1856 que obtuvo en 1906 el Premio Nobel de Física. Electrones:descubiertos por Joseph John Thomson y que tienen carga eléctrica negativa. Se casó con la hija de un médico con quien tuvo una hija y un hijo (George PagetThomson) que fue un prestigioso físico y al igual que su padre obtuvo un Premio Nobel en Física.

18. J. J. Thomson fue profesor de otro gran científico, ErnestRutherford. Murió en 1940 y fue enterrado en la Abadía de Westminster, cerca de donde está enterrado Isaac Newton.

19. Protones: descubiertos por Rutherford y con carga eléctrica positiva. ErnestRutherford nació en 1871 en Nueva Zelanda y murió con 66 años. Su padre era granjero y mecánico y su madre maestra. Aunque era muy bueno jugando al rugby, prefirió dedicarse a la investigación y la docencia, siendo NielsBorh uno de sus alumnos. Obtuvo el Premio Nobel en Química en 1908.

20. Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga eléctrica pero con masa. Obtuvo el Premio Nobel de Física en 1935, premio que se ofreció a compartir con HalsFalkenhagenaños más tarde cuando se enteró de que ese otro científico había descubierto a la vez que él el neutrón, aunque no se había atrevido a publicar su descubrimiento. Falkenhagen agradeció el gesto pero lo rechazó. James Chadwick fue un físico inglés nacido en 1891. Murió en el Reino Unido con 82 años. Durante la Primera Guerra Mundial estuvo prisionero en un campo de concentración alemán acusado de espionaje.

21. Además se sabe que los protones y neutrones están formados a su vez por otro tipo de partículas llamadas quarks.

22. 5.- MODELOS ATÓMICOS A lo largo de la historia los científicos han ido describiendo el átomo de distintas maneras, y aunque algunas de las descripciones eran erróneas, proporcionaban información para que se describieran mejor. El primero en hacerlo fue John Dalton. Recordatorio de los postulados de la teoría atómico-molecular de Dalton:

23. La materia está formada por átomos, que son partículas indivisibles e indestructibles. Todos los átomos del mismo elemento tienen la misma masa y propiedades y son diferentes a las de los átomos de cualquier otro elemento. Los compuestos son combinaciones de átomos de diversos elementos.

24. 5.1.- El modelo atómico de Thomson Thomson describió el átomo en 1904, siete años después de descubrir el electrón y mucho antes del descubrimiento del protón y el neutrón. En dicho modelo el átomo es como una gran masa de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones.

25. 5.2.- El experimento de la lámina de oro ErnestRutherford realizó un famoso experimento que le llevaría a elaborar su modelo atómico y a su vez sirvió para invalidar el modelo de Thomson. Rutherford colocó una fina lámina de oro rodeada por una pantalla fosforescente y situó frente a la lámina un bloque de plomo con un orificio y en cuyo interior colocó uranio, un material radiactivo que emite espontáneamente unos rayos denominados alfa (α) de los que se sabía que poseen carga positiva.

26. Los rayos alfa no se ven, pero emiten un destello luminoso al llegar a la pantalla fosforescente, lo que le permitió observar lo siguiente: La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin desviarse (por lo que Rutherford dedujo que el átomo debía ser prácticamente hueco). Algunos rayos alfa atravesaban la lámina pero se desviaban ligeramente (por lo que Rutherford pensó que en átomo debía haber cargas positivas). Algunos de los rayos alfa salían rebotados al llegar a la lámina (por lo que Rutherford dedujo que las partículas debían chocar con algo para salir rebotadas). Estas observaciones le llevaron a desarrollar el modelo atómico que lleva su nombre.

27. 5.3.- El modelo atómico de Rutherford Según Rutherford en el átomo se distinguen dos partes: El núcleo: donde se concentraría casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva; es decir, los protones. La corteza: donde estarían los electrones girando alrededor del núcleo y describiendo órbitas circulares.

28. 5.4.- El modelo atómico de Bohr NielsBohr fue un físico danés criado en el seno de una familia adinerada que tuvo como profesor a Rutherford. Durante la segunda guerra mundial tuvo que huir a Suecia para evitar ser capturado por los alemanes. Murió en 1962 con 77 años.

29. El científico NielsBohr matizó de qué manera giran los electrones alrededor del núcleo. Según su modelo, los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares a determinadas distancias del núcleo. A cada una de las órbitas que describían los electrones al girar alrededor del núcleo les llamó nivel de energía.

30. 5.5.- El modelo atómico actual Este modelo se debe al físico alemán Edwin Schrödinger. Schrödinger fue un físico austríaco, nacionalizado irlandés, Premio Nobel en Física en 1933. Tras mantener una larga correspondencia con Albert Einstein, propuso un experimento llamado experimento del gato de Schödinger.

31. Se trata de un experimento mental que consiste en imaginar a un gato metido dentro de una caja que también contiene un curioso y peligroso dispositivo. Se trata de una ampolla de vidrio que contiene un veneno sujeta a un martillo que si cae sobre ella la rompe y el veneno que contiene mataría al gato. El martillo está conectado a un detector que si recibe unas partículas llamadas alfa lo lanzará hacia la ampolla, mientras que no lo lanzará si no capta este tipo de partículas. Junto al detector se coloca un átomo radiactivo que tiene un 50% de probabilidades de emitir partículas alfa en una hora. Si se quiere describir lo que ha sucedido dentro de la caja, aplicando las leyes de la física cuántica, nos tendríamos que encontrar con una superposición de las dos posibilidades que existen; es decir, el gato estaría vivo y muerto a la vez. También podríamos abrir la caja, pero el hecho de abrirla según las mismas leyes, alteraría el sistema y se decantaría por una de las dos posibilidades; es decir, encontraríamos al gato vivo o muerto. Ver experimento

32. Según este modelo, los electrones se encuentran a unas distancias determinadas del núcleo del átomo, es decir, en los niveles de energía, pero no girando alrededor de él como decía Bohr. En cada nivel de energía existe una zona donde hay un 90% de probabilidad de encontrar a los electrones. A estas zonas del espacio se les llama orbitales atómicos.

33. Existen siete niveles de energía, cada uno de los cuales se representa por un número entero llamado número cuántico principal. En cuanto a los orbitales pueden ser de cuatro tipos diferentes: orbital s, p, d, f, en cada uno de los cuales se pueden encontrar un número máximo de electrones. Los orbitales “s” tienen forma esférica. Hay un orbital “s” en cada nivel de energía con 2 electrones como máximo.

34. Un orbital “p” es un conjunto de tres parejas de lóbulos orientadas en las tres dimensiones. Un orbital “p” lleno contiene 6 electrones. El orbital “p” puede encontrarse a partir del segundo nivel de energía. El orbital “d” es un conjunto de 5 orbitales, dispuestos en los planos X, Y y Z. Un orbital “d” completo tiene 10 electrones. Los orbitales “d” se encuentran a partir de la tercera capa.

35. Un orbital “f” es un conjunto de 7 orbitales, simétricamente distribuidos sobre los planos X, Y y Z. Un orbital “f” lleno contiene 14 electrones. El orbital “f” puede encontrarse a partir del cuarto nivel de energía.

38. 6.- ÁTOMOS, ISÓTOPOS E IONES 6.1.- Número atómico y número másico El número atómico de un elemento es el número de protones que tiene, y se representa con la letra Z. Ejemplo: busca el número atómico del sodio. El número másico de un elemento es el número de protones más el número de neutrones que tiene, y se representa con la letra A. Así podemos escribir: A = Nº protones + Nº neutrones

39. Observaciones: Cuando el átomo de un elemento sea neutro, entonces tiene el mismo número de protones que de electrones. El número atómico determina el elemento correspondiente a un átomo dado, dicho de otra manera, todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico o número de protones.

40. Ejemplo: consulta la tabla periódica y contesta las siguientes preguntas (no olvides justificarlas): ¿Cuál es el número atómico del oro? ¿Cuántos electrones tiene un átomo neutro de oro? Setenta y nueve, ya que en los átomos neutros el número de electrones coincide con el número de protones. Z (Au) = 79 ¿Cuántos protones tiene un átomo cualquiera de oro? Setenta y nueve, ya que el número atómico indica el número de protones que tiene cualquier átomo del elemento en cuestión, en este caso el oro.

41. Notación: Representaremos a los átomos utilizando la siguiente expresión: X donde X es el símbolo del elemento, A es como sabemos el número másico y Z el número atómico. A Z Ejemplo: el átomo del cloro se representa Cl. 35 17

42. 6.2.- Isótopos Se llaman isótopos a los átomos del mismo elemento que tienen distinto número de neutrones. Ejemplo: en la naturaleza existen isótopos de hidrógeno.

43. 6.3.- Determinación de la masa de un elemento químico Para calcular la masa de un elemento necesitamos conocer la masa de cada uno de sus isótopos y la abundancia en la que se encuentran en la naturaleza cada uno de ellos (este dato se dará en tanto por ciento). Una vez conocidos estos datos se aplica la siguiente fórmula:

44. 6.4.- Iones Un ión es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Al ión que se obtiene añadiéndole electrones se le llama ión negativo o anión, y al ión que se obtiene quitando electrones se le llama ión positivo o catión.

45. Nota: los iones se representan igual que los átomos neutros añadiendo en la parte superior derecha un número y un signo que puede ser “más” o “menos”.

46. El número indica la cantidad de electrones que ha ganado o perdido el átomo. El signo “más” (+) indica que el átomo ha perdido electrones (dicho de otra manera, que ha quedado cargado positivamente) y el signo “menos” (-) indica que el átomo ha ganado electrones (o lo que es lo mismo, que ha quedado cargado negativamente).

47. Ejemplo: Litio. Z (Li) = 3 Pierde un electrón Gana dos electrones

48. 7.- RADIACTIVIDAD La radiactividad o radioactividad es la emisión de energía por la desintegración de núcleos de átomos inestables.

49. Un átomo inestable es aquel que no tiene lleno su último nivel de energía ni tampoco tiene ocho electrones. Los núcleos de estos átomos tienen la capacidad de desintegrarse. Este tipo de átomos intentan alcanzar la estabilidad bien desprendiéndose de los electrones de valencia (que son los que tiene en su última capa) o bien captando electrones hasta completar su última órbita.

50. ¿Por qué se desintegran algunos núcleos atómicos? En los núcleos de los átomos los protones se repelen entre sí (ya que tienen el mismo tipo de carga), tendiendo a que dichos núcleos se rompan.