Atomos, Moléculas y Iones

1. Atomos, Moléculas y Iones IES “Pando· Departamento de Física y Química Química ESO Capítulo 2

2. Introducción • Orígen de la teoría atómica: Grecia (Platón y Aristóteles proponen que la naturaleza es: fuego, tierra, aire y agua). • ¿Se puede dividir la materia infinitamente, o hay un límite? • Demócrito define el ÁTOMO, pero su idea no prevalece pues va en contra de las ideas de los grandes filósofos. • Siglo XIX, John Dalton publica una Teoría Atómica significativa basada en 6 postulados fundamentales:

3. Postulados: • Todo elemento está compuesto de átomos; • En un elemento todos los átomos son idénticos; • Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes; • Los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas; • Los compuestos son combinaciones químicas de más de un elemento; • En un compuesto dado el número relativo de una clase de átomos es constante.

4. Postulados: una visión Teoría de Dalton Atomos del Atomos del Compuesto X2Y de elemento X elemento Y los elementos X y Y

5. Imágen a escala atómica del átomo Hasta poco tiempo, todas las evidencias para la existencia de los átomos eran indirectas. En los últimos 15 años se ha desarrollado la microscopía electrónica de efecto túnel (STM), la cual es capaz de proporcionar la imágen de átomos individuales sobre superficies sólidas. Ga Imagen de una superficie del semiconductor (arseniuro de galio), GaAs. Se añade color por computadora para distinguir los átomos de galio de los de arsénico. As

6. Leyes de Combinación Química • Ley de la Conservación de la Materia La masa total de las sustancias antes y después de una reacción química es la misma • Ley de la Composición Constante En un compuesto dado el número relativo y las clases de átomos que lo forman son constantes • Ley de las Proporciones Múltiples Si A y B se combinan, las masas de B que se combinan con una masa dada de A están en relación de números enteros pequeños

7. Estructura Atómica: inicios placas con carga eléctrica (CE) Rayos catódicos y electrones (Thomson, 1897) Pantalla fluorescente Trayectorias electrónicas alto voltaje magneto (CM) La relación masa-carga del electrón se determina midiendo los efectos de los campos (CE y CM) sobre el movimiento del haz: r = 1.76x108C/g.

8. Estructura Atómica: inicios rocío de aceite Experimento de Millikan (1909) atomizador fuente de rayos X Visor del microscopio placas con carga eléc trica Midiendo el efecto del voltaje sobre la rapidez de caida de las gotas cargadas, Millikan dedujo la carga del e , qe = 1.60x10-19C, y de aquí la masa del mismo, me = 9.10x10-28g.

9. Estructura Atómica: Desarrollo Bloque de plomo Rayos  Radiactividad y el átomo nuclear: P. y M. Curie, Rutherford Rayos  Rayos  Sustancia radiactiva Placas cargadas eléctricamente Placa fotográfica Electron negativo Modelo de J.J.Thomson “pudín de ciruela” Carga positiva esparcida dentro de la esfera

10. Estructura Atómica: desarrollo Experimento y modelo de Rutherford (1911) Partículas dispersadas La mayoría de partículas no se desvian Partículas  incidentes Lámina de oro delgada Haz de partículas núcleo Pantalla Fluorescente circular Fuente de Partículas  átomos de oro Núcleo de Rutherford

11. Estructura Atómica Moderna Localización de partículas sub-atómicas • Partículas subatómicas: • Núcleo:protones (+) neutrones • Espacial: electrones (-) 1.602x10-19 C • Propiedades básicas: Masa: unidades de masa atómica (uma) 1 uma = 1.66053x10-24 g Radio atómico (rat): angstrom (Å); 1 Å = 1x10-10 m protón rat neutrón

12. ¿Qué tan pequeño es un átomo? Supongamos una moneda con un  = 19 mm. ¿Cuántos átomos de Cu se podrían acomodar lado a lado sobre un linea recta a través de su ?. Respuesta Sabemos que: Cu = 2.6 Å (relación entre número de átomos y distancia), así que: Esto es, 73 millones de átomos de Cu se pueden colocar lado a lado a lo largo de una moneda de 19 mm de diámetro.

13. Estructura Atómica Moderna • Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones, número al cual se le denomina NÚMERO ATÓMICO. • Atomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones, y por tanto en su masa, se denominan ISÓTOPOS. • El número total de protones más neutrones en el átomo, se denomina NÚMERO DE MASA. • Un átomo de un isótopo específico, se denomina NUCLIDO.

14. Estructura Atómica Moderna Algunos de los isótopos del átomo de carbono (C) símbolonº protonesnº electronesnº neutrones 11C 6 6 5 12C 6 6 6 13C 6 6 7 14C 6 6 8

15. Pre-evaluación C2.1 • Explique la diferencia entre un elemento y un átomo. • ¿Cuáles son las tres partículas primarias constitutivas de un átomo?. • ¿Cómo se podría determinar el número atómico de un elemento?. • El litio tiene dos isótopos estables, 6Li y 7Li. ¿Cuál es el más abundante? • ¿Cuál es la diferencia entre el número de masa de un átomo y el peso atómico de un elemento? • De el nombre de cada uno de los elementos siguientes: a) C, b) Na, c) Cl, d) P, e) Mg. • De el símbolo de cada uno de los elementos siguientes: a) silicio, b) plomo, c) hierro, d) kripton, e) estaño. • ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un átomo de 197Au?. • Dar el símbolo químico completo del núclido que contiene 18 protones, 18 electrones y 22 neutrones. • De los átomos siguientes, ¿cuáles son isótopos del mismo elemento?: a) 20X10, b) 22X11, c) 22X10, d) 19X9, e) 21X10,

16. La Tabla Periódica • Importantes esfuerzos de observación y clasificación de propiedades de los elementos, culminan en 1869 en el desarrollo de la tabla periódica • Varios elementos exhiben fuertes similitudes, p. ej., Li, Na y K son todos metales suaves y muy reactivos. He, Ne y Arson gases inertes. El arreglo en orden creciente de su N.A., muestra regularidades periódicas de sus propiedades. Número atómico Símbolo gas inertemetal suavegas inertemetal suavegas inertemetal suave y reactivo y reactivo y reactivo

17. La disposición de elementos en orden creciente de N.A. con elementos teniendo propiedades similares ubicadas en columnas verticales, se conoce como: Tabla Periódica Moderna Metal Metaloide No metal

18. La Tabla Periodica: propiedades • Los elementos en una columna de la tabla se conocen como un grupo y, de acuerdo a la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), la nueva convención numera los grupos de 1 a 18 sin designaciones adicionales de A o B. • Los elementos de un mismo grupo exhiben similitud en sus propiedades físicas y químicas. Algunos grupos presentan un nombre específico: GrupoNombreElementos 1A Metales alcalinos Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 2A Metales alcalino-terreos Be, Mg, Ca, Sr, Ba,Ra 6A Calcógenos O, S, Se, Te, Po 7A Halógenos F, Cl, Br, I, At 8A Gases nobles (o raros) He, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn

19. Pre-evaluación C2.2 • De los elementos siguientes, ¿cuáles esperaría ud. que mostraran similitud en sus propiedades F y Q?: Li, Be, F, S, Cl • Localice en su tabla periodica al fosforo (P) y al potasio (K). Dé el nº atómico de cada uno y etiquételo como un metal, no metal o metaloide.

20. Moléculas y Compuestos Moleculares • Sólo los elementos de gases nobles se encuentran en la naturaleza como átomos aislados. La mayoría de la materia se compone de moléculas o iones, los cuales a su vez estan formados de átomos. • Una molécula es un ensamble de dos o más átomos estrechamente enlazados unos a otros. • Para muchos propósitos, el ensamble de átomos se comporta como una única entidad de características distintivas.

21. Moléculas y Compuestos Moleculares • Moléculas elementales. Dos o más átomos de la misma clase se combinan entre sí. Un caso típico lo constituye el oxígeno, cuyas fórmulas son: O2 : oxígeno “normal”, esencial para la vida, gas incoloro e inodoro; O3 : ozono, tóxico, de olor picante e irritante de las mucosas. • Los elementos más comunes que existen como moléculas diatómicas son: H2 5A 6A 7A N2 O2 F2 Cl2 Br2 I2

22. Compuestos moleculares Agua, H2O Dióxido de carbono, CO2 • Compuestos moleculares. Contienen más de un tipo de átomos : por ej., la molécula de agua: H2O : combinación de 2 átomos de H y 1 átomo de O, o bien; H2O2 : Hidrógeno y Oxígeno en diferente proporción relativa. • Algunas moléculas comunes simples se presentan en el esquema. Es importante observar que: • La composición de cada compuesto esta dada por su fórmula química; • Las sustancias aquí mostradas se com-ponen de elementos no-metálicos. Monóxido de carbono, CO Metano CH4 Peróxido de hidrógeno, H2O2 Oxígeno, O2 Ozono, O3 Etileno C2H4

23. Moléculas y Compuestos Moleculares • Fórmula Molecular: Indica el número y tipo real de átomos en la molécula. Las fórmulas anteriores son moleculares. Los subíndices son siempre multiplos enteros de los subíndices de las fórmulas empíricas correspondientes. • Fórmula Empírica: Indica sólo el número relativo de átomos de cada tipo en la molécula. Aquí, los subíndices indican siempre la relación de números enteros más pequeña. Fórmula MolecularFórmula Empírica H2O2HO C2H4CH2

24. Moléculas y Compuestos Moleculares • Fórmula Estructural: Muestra qué átomos estan unidos a cuales dentro de la molécula. Las líneas entre los símbolos de los elementos representan las uniones químicas entre átomos. • Una fórmula estructural no exhibe la geometría real de la molécula, esto es, los ángulos verdaderos a los cuales están unidos los átomos. Sin embargo, se puede representar como un dibujo en perspectiva para dar un sentido tridimensional. Agua Peróxido de hidrógeno Metano

25. Representaciones Moleculares estructural perspectiva modelo esferas

26. Iones y Compuestos Iónicos El núcleo de un átomo permanece inalterado en los procesos químicos, pero el átomo puede ganar o perder electrones con facilidad originando partículas cargadas denominadas IONES. Si la carga es positiva se llama CATION, si la carga es negativa se llama ANION. Sea, por ejemplo, el átomo de sodio: Ahora, el átomo de cloro: pierde un electron ion de Na+ átomo de Na gana un electron ion de Cl- átomo de Cl

27. Iones y Compuestos Iónicos • En general, los átomos de metales pierden electrones con facilidad y los átomos de los no metales tienden a ganar electrones. Dé el símbolo químico completo de: a) un ion con 26 p, 30 n y 24 e–; b) el ion fósforo con 16 n y 18 e–. a) El elemento con 26 p (nº atómico = 26) es: Fe, cuyo nº de masa = 26 p + 30 n = 56. Hay 2 cargas (+) en exceso, por tanto, la carga neta del ion es 2+ . El símbolo completo será: b) El P tiene un nº atómico de 15, luego entonces tiene 15 p, y un nº de masa de (15 p + 16 n) 31. Tiene además una carga neta de 18 e– - 15 p = 3 e–,o sea 3- , así que el símbolo será:

28. Iones y Compuestos Iónicos • Iones Poliatómicos.- Consisten de átomos unidos como en una molécu-la, pero con una carga neta positiva o negativa, p. ej.: • ¿Cómo se predicen las cargas ionicas? Se parte de la idea de que la ganancia o pérdida de electrones conduce a un átomo a adquirir una configuración de gas noble, como en el caso del Na y del Cl. • Prediga las cargas esperadas para los iones más estables de O y Ba.

29. Iones y Compuestos Iónicos La tabla periódica es una herramienta útil para recordar las cargas de los iones, en especial los de los extremos de la misma. gases nobles Metales de transición Metales alcalinos (+2) Calcógenos (-2) Metales alcalinos (+1) Halógenos (-1)

30. Iones y Compuestos Iónicos Compuestos iónicos.- Aquellos que contienen iones cargados positivamen- te y iones cargados negativamente. De la composición podemos saber, frecuentemente, si es compuesto iónico (constituido por iones) o molecular (constituido por moléculas). pierde un electron Atomo de Na neutro gana un electron Atomo de Cl neutro

31. Iones y Compuestos Iónicos En general, los metales forman catiónes y los no-metales aniónes. Por tanto, los compuestos iónicos son en general combinaciones de metales y no-metales (p.ej. NaCl), en tanto que los moleculares se componen en general únicamente de no-metales (H2O). • ¿Qué especies se espera sean iónicas?: N2O, Na2O, CaCl2 y SF4. • ¿Qué especies se espera sean moleculares?: Cl4, FeS, PbF2 y P4O6.

32. Iones y Compuestos Iónicos • Sólo se pueden escribir fórmulas empíricas para los compuestos iónicos, y si no estan en forma iónica, siempre son eléctricamente neutros, así que las cargas deberán estar balanceadas. • ¿Cuáles son las fórmulas empíricas de los compuestos formados por los iones?: a) Al3+ y Cl-; b) Al3+ y O2- ; c) Mg2+ y NO3-

33. Nombre de los compuestos iónicos Iones positivos (catiónes): formados a partir de átomos metálicos tienen el mismo nombre del metal Na+ ion sodio; Zn2+ ion cinc; Al3+ ion aluminio. cationes del mismo metal pero diferente carga, exhiben ésta con núme-ros romanos en paréntesis después del nombre: Fe2+ ion hierro (II) Cu+1 ion cobre (I) Fe3+ ion hierro (III) Cu2+ ion cobre (II) Estos iones exhiben propiedades diferentes, y casi todos pertenecen a los metales de transición (3B a 2B). Los iones de metales comunes no tienen cargas variables 1A, 2A, Al3+ y Zn2+ Una denominación anterior, aún en uso, usa las terminaciones -oso para los iones de menor carga, e -ico para los de mayor : Fe2+ ion ferroso Cu+1 ion cuproso Fe3+ ion férrico Cu2+ ion cúprico

34. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos Los únicos cationes poliatómicos comunes son los siguientes: NH4+ion amonioyH3O+ion hidronio CATIONES COMUNES CARGA ION +1NH4+, H+, M+ (M = Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), Ag+, etc., +2Ba2+, Cd2+, Ca2+, Mg2+, Ni2+, Sn2+, Zn2+, etc +3Al3+, Cr3+, Fe3+, etc. ANIONES COMUNES -1 C2H3O2- (acetato), HCO3- (bicarbonato), OH- (hidroxi), X- (halógeno), ClO4- (perclorato), SCN- (tiocianato), etc., -2 CO32- (carbonato), O2- (óxido), SO42- (sulfato), S2- (sulfuro), -3N3- (nitruro), PO43-(fosfato) , AsO43-(arsenato).

35. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos • Iones negativos (aniones) • Los aniones monoatómicos están comúnmente formados por átomos de elementos no metálicos. Se nombran haciendo terminar el nombre del elemento en uro ; en el caso del oxígeno, la terminación esido ; y en contados casos en ida : H- ion hidruro O2- ion óxido N3+ ion nitruro F- ion fluoruro S2- ion sulfuro P3- ion fosfuro OH- ion hidróxido O22- ion peróxido N3- ion azida • Los aniones poliatómicos se denominan oxianiones. Los elementos que forman más de un oxianion, se nombran de acuerdo al número relativo de átomos de oxígeno en el anión: al mayor terminación ato al de menor ito. NO2- ion nitrito SO32- ion sulfito NO3- ion nitrato SO42- ion sulfato

36. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos Cuando el número de oxígenos es todavía mayor, p.ej., oxianiones de los halógenos, se usan de manera adicional los prefijos siguientes : hipo para el de menos oxígeno, y per para el de más oxígeno, p.ej. : ClO – ion hipoclorito (un oxígeno menos que en el clorito), ClO2 – ion clorito (un oxígeno menos que en el clorato), ClO3 – ion clorato ClO4 – ion perclorato (un oxígeno más que en el clorato). La fórmula del ion selenato es SeO42-. ¿Cuál es la del ion selenito? La fórmula del ion bromato es BrO3-. ¿Cuál es la del ion hipobromito?

37. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos Aniones poliatómicos con cargas elevadas pueden adicionar hidrógeno (como H+) para formar aniones de menor carga : CO32 – ion carbonato HCO3 – ion carbonato de hidrógeno (bicarbonato) SO42 – ion sulfato HSO4 – ion sulfato de hidrógeno (bisulfato) La combinación de aniones y cationes para formar compuestos iónicos es ahora simple, al igual que su denominación y fórmula: Bromuro de bario = BaBr2 Sulfato de potasio = K2SO4 Nitrato de cobre (II) = Cu(NO3)2 Oxido de aluminio = Al2O3 hidróxido de calcio = cloruro férrico = = SnF2 = Na2CrO4

38. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos • Acidos. Compuestos inorgánicos particularmente importantes que se caracterizan por producir uno o más iones hidrógeno (H+) cuando se disuelven en agua. • La fórmula del ácido se forma añadiendo los H+ (protones) necesarios para balancear la carga del anión, y su nombre se deriva del nombre del anión de acuerdo a la regla de terminación siguiente: • Aniones terminados en uro asocian al ácido la terminación hídrico: Cl- (cloruro) HCl (ácido clorhídrico) S2+ (sulfuro) H2S (ácido sulfhídrico) • En los derivados de oxianiones , la terminación ato se cambia por ico en el ácido, y la terminación ito por oso en el ácido. Los prefijos se retienen en todos los casos . Por ejemplo:

39. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos AniónAcido correspondiente ClO- ( hipoclorito) HClO (ácido hipocloroso) ClO2- ( clorito) HClO2 (ácido cloroso) ClO3- ( clorato) HClO3 (ácido clorico) ClO4- ( perclorato) HClO4 (ácido perclorico) Hay diagramas que resumen las reglas para nombrar el ácido correspondiente a un anión dado, se recomienda se revisen . Nombre los siguientes ácidos: HCN HNO3 H2SO4 H2SO3 Indique la fórmula de los siguientes ácidos: ácido nitroso ácido crómico ácido bromhídrico ácido peryódico

40. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos Compuestos moleculares. Binarios. Se sigue el mismo procedimiento que el empleado para los compuestos iónicos : • El elemento más a la izquierda de la tabla periódica se escribe primero, • Si ambos elementos son del mismo grupo, el inferior se escribe primero, • El segundo elemento se nombra con terminación uro, pero si éste es oxígeno se termina en ido, • Se usan prefijos para indicar el número de átomos de cada elemento: 1 mono- 2 di- o bi- 3 tri- 4 tetra- 5 penta- ……. 10 deca-

41. Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos Ejemplos: NF3trifluoruro de nitrógeno SO3trióxido de azufre N2O4tetróxido de dinitrogeno P4S10decasulfuro de tetrafosforo PCl3 = N2O3 = SO2 = CO2 = tetrabromuro de silicio dicloruro de diazufre monóxido de carbono sulfuro de plata