Unidad 3 : Actividad 11
 
Actividad 11. La naturaleza discontinua de la materia.
 
   
A medida que se fueron descubriendo nuevos elementos, la Química se enriqueció y avanzó rápidamente, ya que se empezaron a reconocer las regularidades entre ellos y fue posible clasificarlos en una tabla que resume sus propiedades.
Posteriormente, en su afán de conocer de qué están hechas las sustancias, los científicos de finales del siglo XIX y de principios del siglo XX descubrieron que por medio de la electricidad y distintos tipos de radiaciones podían lograr que los fenómenos observados dieran evidencias de cómo es y cómo se comporta la materia.
Veremos que cuando se pudieron contar los átomos y las moléculas, se pudo determinar qué cantidades de sustancia se obtienen a partir de las reacciones, y predecir su comportamiento físico y químico.
 
   
 
   

En ocasiones habrá visto que al quitarse un suéter de lana o de fibra sintética éste cruje y suelta algunas chispas que brillan en la oscuridad. Otro efecto curioso ocurre cuando frotamos un peine en nuestros cabellos y podemos levantar algunos papelitos con él.

     
    ¿Qué son las chispas? ¿Por qué saltan al frotar algunas fibras con otras?
     
   
     
    Modelo atómico de Dalton y las leyes ponderales
     
   
Si toma un trozo de pan de caja y lo parte en dos.Toma una mitad y la parte nuevamente a la mitad y continua con este procedimiento hasta tener una porción de pan tan pequeña que ya no se pueda cortar, ¿Será la unidad mas pequeña en que se pueda dividir el pan?
     
   
     
    ¿Hasta dónde es posible estudiar la materia a simple vista?
     
   
     
   
¿Cómo cree que hacen los científicos para “saber” sobre los átomos y las moléculas, aunque no puedan verlos?
     
   
     
   

¿Hasta dónde es posible distinguir fracciones de materia a simple vista?

     
   
Hace unos 2 400 años, en la antigua Grecia, los filósofos se hacían numerosas preguntas sobre la naturaleza de la materia que formaba las cosas. Demócrito estaba convencido de que la materia la formaron partículas muy pequeñas, que no se podían dividir, a las que llamó átomos. Aristóteles, el filósofo más influyente desde sus días hasta el Renacimiento, sostenía que no existían tales partículas, que lo que había en común entre las cosas del Universo eran los cuatro elementos: aire, fuego, tierra y agua, y esta idea se impuso durante 2 200 años, pero las ideas de Demócrito no fueron del todo olvidadas durante este periodo.
     
   
A finales del siglo XVIII, en los inicios del México independiente, John Dalton (1766-1844), maestro inglés, realizó importantes investigaciones sobre cómo se formaban los compuestos químicos, y las relaciones entre las masas de los reactivos y los productos. Dalton encontró que la vieja idea de Demócrito era correcta.
 
     
   

John Dalton postuló el primer modelo de átomo de la época
moderna.

 

 

 

Esa teoría podía ayudar a explicar de forma muy precisa, no sólo sus observaciones y los resultados de sus experimentos, sino la de los químicos que le habían precedido en el estudio de la materia, como Lavoisier.
     
   

Dalton postuló una hipótesis sobre la existencia de los átomos, que se resume a continuación.

  • La materia se compone de partículas muy pequeñas que no se ven, llamadas átomos.
  • Los átomos de un mismo elemento son idénticos en todas sus propiedades, incluyendo su masa.
  • Diferentes elementos están hechos de átomos diferentes, por lo que su masa también es diferente.
  • Los átomos son indivisibles (no se pueden dividir) y conservan sus características durante las reacciones químicas.
  • En cualquier reacción química, los átomos se combinan en proporciones simples, por ejemplo: 1 a 1, 2 a 1, 3 a 1, 2 a 3, etc.
  • Los compuestos químicos se forman de la unión de dos o más átomos, en lo que conocemos como una molécula. La masa molecular es la suma de las masas de los átomos que forman la molécula.
     
   

Los átomos se unen, para formar moléculas, en relaciones sencillas de un elemento a otro.

     
   
     
   
Sobre las leyes que rigen las proporciones en que se combinan los elementos para formar compuestos, entre al menú y en la Antologia lea “Leyes ponderales” (III.9), en su Antología.
     
   
     
    Masa atómica y masa molar
     
    Observe las imagenes y conteste las siguientes preguntas.
     
   
 
Hay diferencias entre los frijoles y el arroz. ¿Cuáles son los más evidentes?
     
    ¿Qué es evidentemente distinto entre el arroz y los frijoles?
     
   
     
    ¿Qué propiedades extensivas son diferentes entre ambos?
     
   
     
   
Intercambie con sus compañeros y compañeras sus respuestas y luego léanlas a su asesor o asesora. Discutan juntos qué aplicaciones puede tener esta actividad.
     
    COMUNIDAD
     
   
A partir de la postulación del modelo atómico de Dalton, los químicos se dedicaron a la tarea de conocer la masa de los átomos. A mediados del siglo XIX esa labor no era nada sencilla, ya que los instrumentos con los que se contaba no eran tan precisos como los actuales. El primero que intentó determinar las masas atómicas de algunos elementos fue Dalton; pero varios años después, en 1860, el científico italiano Stanislao Cannizaro (1826-1910) logró construir una tabla correcta de masas atómicas para los elementos conocidos.
     
   

Así como a una docena corresponden 12 huevos, a un número de Avogadro o mol de
huevos corresponderían 6.023 x 1023 piezas.

 

En la actualidad, se emplea la unidad de masa atómica (uma) para expresar la masa de los átomos; dicha unidad corresponde a un medio de la masa del átomo de carbono 12.

El mol es la unidad fundamental de cantidad de materia.

Los huevos suelen agruparse por docenas, y las naranjas en gruesas, que equivalen, respectivamente, a 12 y 144 unidades. Para contar cosas tan extraordinariamente pequeñas como los átomos, se necesita un número muy grande. El número de Avogadro (conocido así por ser el científico que planteó las bases teóricas que, más adelante permitieron determinar cuántas partículas había en cierto volumen de gas) es equivalente a un mol de objetos y un mol de átomos o de moléculas equivalen siempre a:

6.02 X 1023
1 docena = 12 objetos
1 mol = 6.023 X 1023 objetos.

     
   
     
   

El número de Avogadro es un número increíblemente grande, sólo adecuado para ontar
materia a nivel molecular.

 

El valor del número de Avogadro o mol es tan grande que si, por ejemplo, se apilara un mol de hojas de papel, se formaría una columna que iría desde el Sol hasta la estrella más cercana, Alfa Centauri. Más sorprendente aún: todos los granos de arena que existen en la Tierra no alcanzan a formar un mol; y sin embargo, un mol de moléculas de SiO2 (óxido de silicio o arena) tan sólo equivale a unos 60 gramos de ese material.

El mol es una unidad que nos sirve para conocer el número de partículas que hay en una determinada cantidad de masa. Cuando la masa atómica de un elemento se expresa en gramos, se tiene 1 átomo de C = 12 uma; 1 mol de átomos de C = 12 gramos (6.023 X 1023 átomos) = 12 gramos un número de Avogadro de átomos del elemento.

     
   

     
   
     
   
Sobre cómo determinar la masa molar de un compuesto y la concentración molar de una disolución, entre al menú y en la Antología lea “Masa molar de los elementos y molaridad de una disolución” (III.10).
     
   
     
    Fórmulas químicas y sus nombres
     
   
Arrastre la figura correspondiente a la representación gráfica de las siguientes fórmulas químicas.
     
   

     
   

Una fórmula química es la representación de una molécula mediante símbolos químicos de los elementos que la componen. Una fórmula ofrece también información sobre el número de átomos que forman la molécula de un elemento o compuesto. Las fórmulas químicas se escriben de acuerdo a varias reglas importantes:

• Para representar el átomo de un elemento se utiliza el símbolo correspondiente. Por ejemplo, el átomo de oro se representa como (Au) y el del cloro (Cl).
• Si en la formación de un compuesto intervienen más de un átomo de cada elemento, se expresa por medio de subíndices, colocados en el extremo inferior derecho del símbolo del elemento respectivo. Por ejemplo, el ácido nítrico (HNO3) está formado por un átomo de hidrógeno (H), uno de nitrógeno (N) y tres de oxígeno (O3).
• Hay ciertas agrupaciones químicas de elementos que se comportan como si fueran un solo átomo. A estas agrupaciones se les conoce como radicales; el radical nitrato
(NO3 –) del ácido nítrico es un ejemplo de ello.
• También existen algunos radicales con carga positiva. El más conocido es el radical amonio (NH4 +). Para escribir la fórmula de un compuesto formado por dos radicales, deben respetarse los paréntesis correspondientes. Por ejemplo, la fórmula del sulfato de amonio es (NH4)2SO4.

Los radicales, dependiendo de la carga negativa o positiva que tengan, se clasifican en mono, di, o trivalentes, como se indica en la siguiente tabla.

     
   
Radical
Carga
Nombre
SO2-4

2-

Sulfato
CO2-3
2-
Carbonato
HCO-3
1-
Bicarbonato
PO3-4
3-
Fosfato
NH+4
1+
Amonio
     
    La tabla periódica
     
   
Es conocido por muchas personas que para consumir agua o frutas y verduras crudas libres de bacterias es necesario agregarles unas gotas o pastillas de desinfectante. Uno de estos productos se emplea ampliamente en todo el país. Comente con sus compañeros y compañeras, vecinos y amigos qué tipo de desinfectante usan para el agua y las verduras y responda las siguientes preguntas.
     
   
¿Qué sustancia es la más empleada para desinfectar el agua?
 

¿Por qué se usarán estas sustancias para desinfectar
verduras o heridas?

 
   
¿Qué sustancia (de color café) también es conocida para desinfectar heridas pequeñas?
 
   
 
   
¿Sabe si hay alguna relación física o química entre ellas? ¿Cuál?
 
   
 
     
   

A simple vista, el cloro y el yodo que se usan para desinfectar, tanto agua como verduras, son compuestos que al entrar en contacto con el agua liberan estos elementos químicos que atacan a las bacterias.
Sin embargo, si se analizan con más detalle tanto la estructura como las propiedades químicas de sus átomos, se puede comprobar que poseen muchas características y comportamientos semejantes. La observación sistemática de estas propiedades llevó a los científicos a establecer una clasificación, ordenada y útil de los elementos: la tabla periódica.
Tras las grandes aportaciones hechas a la Química, a finales del siglo XIX, los químicos comenzaron a encontrar similitudes físicas y ciertos comportamientos parecidos entre los elementos conocidos hasta entonces. A medida que se producían más compuestos de los elementos que se descubrían, se podían reconocer también las similitudes en cuanto a la reactividad, es decir, la capacidad que poseen los distintos elementos para reaccionar con otros.
También llamaron la atención aspectos como la variación de masas atómicas, el estado físico o de agregación y otras propiedades de los elementos. Fue en Rusia, en 1871, cuando Dimitri I. Mendeleiev propuso una clasificación completa y confiable de los 63 elementos conocidos hasta entonces.

 

¿Por qué se usarán estas sustancias para desinfectar verduras o heridas?

     
   

     
   
     
   
Lo asombroso de la Tabla periódica de los elementos propuesta por Mendeliev es que incluyó espacios vacíos para colocar elementos entonces desconocidos. Es decir, el investigador dedujo que si las propiedades físicas y químicas de un elemento no correspondían con las del elemento vecino, de acuerdo con su masa atómica, debía faltar junto a él otro elemento (aún no descubierto), como el galio, el escandio y el germanio. Estas predicciones se volvieron realidad años después con el escubrimiento e inclusión inmediata en la tabla periódica de estos elementos.
 
     
   
     
   
Sobre cómo se agrupan los elementos en la Tabla periódica de acuerdo a sus propiedades, entre al menu de su Antología, y lea Grupos y periodos químicos (III.11).
     
   
     
    Ponga a prueba sus conocimientos
     
   

Indique la familia y el periodo de la Tabla periódica donde se ubican los siguientes elementos.

Elemento
Símbolo
Familia / Grupo
Periodo / Grupo
Hidrógeno
Carbono
Oxígeno
Cloro

 

     
    El átomo, sus modelos
     
    Observe la siguiente animacion y conteste las preguntas
     
   

     
    ¿Se observa algún cambio de color?
     
   
     
    ¿Por qué cree que cada sustancia hizo cambiar de color distinto la flama?
     
   
     
   
¿Puede servir esto para distinguir sustancias, por ejemplo, unos metales de otros?
     
   
     
   
Anote a continuación qué observó y coméntelo con sus compañeros y compañeras. Luego, reflexionen con su asesor o asesora sobre lo que puede interpretarse de esta experiencia.
     
   
     
   

A diferencia de lo que pensaba Dalton, los átomos sí se pueden dividir en partículas más pequeñas. Los átomos están formados por tres partículas: los electrones, los protones y los neutrones.

Los protones (de carga positiva) y los neutrones (sin carga) se encuentran en la parte central del átomo, llamada núcleo. Los electrones se encuentran afuera del núcleo, tienen carga negativa y una masa muy pequeña. En el núcleo se encuentra prácticamente toda la masa del átomo y tiene carga positiva.

     
   
Partícula
Masa (uma)
Carga
Ubicación
Protón
1
+
Núcleo
Neutrón
1
Neutro
Núcleo
Electrón
0.0005
Alrededor del núcleo
     
   

En un átomo neutro la cantidad de electrones es igual a la de protones.

Cuando el número de protones y electrones no es igual, se tiene un átomo con carga eléctrica llamado ion. A los iones positivos se les llama cationes. Cuando la cantidad de electrones es mayor que la de protones, se tiene un átomo con carga negativa llamado anión.

     
   

Cuando un átomo neutro gana o pierde electrones se convierte en un ión, es decir, en un átomo con carga eléctrica

     
   

Al número de protones que tiene un elemento se le conoce como número atómico y se le representa con la letra Z. La masa atómica es la suma de protones y neutrones que hay en el núcleo y se representa con la letra A. El número de neutrones que hay en un átomo puede calcularse restando el número de protones (Z) de la masa atómica (A) a través de la expresión:

Número de neutrones = A - Z

En la tabla periódica los elementos se colocan en orden creciente del número atómico. Los isótopos son elementos iguales (por lo tanto tienen el mismo número atómico), pero tienen diferente número de neutrones en el núcleo (por lo tanto varía su masa). Por ejemplo, en el caso del hidrógeno, se tienen tres isótopos:

     
   
Protio: 1 protón y 1 electrón.
Si pierde el único un electrón que tiene, se convierte en el catión H+, también conocido como protón (que es la única partícula que le resta).
     
    Deuterio: 1 protón + 1 neutrón (en el núcleo) y 1 electrón.
     
    Tritio: 1 protón + 2 neutrones (en el núcleo) y 1 electrón.
     
   

     
   
     
   
Sobre cómo, en 1913, el físico danés Niels Bohr (1885-1962) estableció una hipótesis sobre la estructura atómica, entre al menú y en la Antología lea “El átomo desde Thomson hasta Bohr”(III.12)
     
   
     
   
     
    Realice el experimento 11 del Manual de experimentos.
     
   
     
   
     
   
  • La materia, en sus tres estados físicos, está constituida por átomos, las unidades básicas que forman a los elementos y a los compuestos. John Dalton estableció el primer modelo atómico basado en sus determinaciones de masa antes y después de una reacción química. Las leyes ponderales establecen las relaciones de masa entre las sustancias que reaccionan.
  • La uma es la unidad de masa atómica que corresponde a 1/12 de la masa del carbono 12. El mol es la unidad con que se mide la cantidad de materia que tiene 6.02 x 1023 unidades. La masa molar de un elemento o compuesto es la masa de un mol de átomos o moléculas expresada en gramos y corresponde al número de Avogadro de partículas en gramos. La molaridad es otra forma de expresar concentración y se expresa como las moles presentes en un litro de disolución.
  • Cómo leer en una fórmula los elementos que forman el compuesto y el número de átomos de cada uno.
  • La Tabla periódica vigente consiste de familias y de periodos químicos. Las propiedades físicas y químicas de los elementos metálicos y no metálicos de la tabla permiten conocer mejor los materiales y optimizar su aprovechamiento.
  • En la Tabla periódica se puede encontrar la clasificación de los elementos en familias y periodos, además de su peso y número atómico.