Atomos & estructura cristalina

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  • 1. LaMateria. tomo. Estructura del tomo. Historia de la teora atmica. Modelos atmicos. Estructura Cristalina.

2. Materia es todo aquello que tiene localizacin espacial, posee una cierta cantidad de energa, y est sujeto a cambios en el tiempo y a interacciones con aparatos de medida. En fsica y filosofa, materia es el trmino para referirse a los constituyentes de la realidad material objetiva, entendiendo por objetiva que pueda ser percibida de la misma forma por diversos sujetos. Se considera que es lo que forma la parte sensible de los objetos perceptibles o detectables por medios fsicos. Es decir es todo aquello que ocupa un sitio en el espacio, se puede tocar, se puede sentir, se puede medir, etc. La materia msica est jerrquicamente organizada en varios niveles y subniveles. La materia msica puede ser estudiada desde los puntos de vista macroscpico y microscpico. Segn el nivel de descripcin adoptado debemos adoptar descripciones clsicas o descripciones cunticas. Una parte de la materia msica, concretamente la que compone los astros sub-enfriados y las estrellas, est constituida por molculas, tomos, e iones. Cuando las condiciones de temperatura lo permite la materia se encuentra condensada. 3. Nivel microscpico. El nivel microscpico de la materia msica puede entenderse como un agregado de molculas. stas a su vez son agrupaciones de tomos que forman parte del nivel microscpico. A su vez existen niveles microscpicos que permiten descomponer los tomos en constituyentes an ms elementales, que sera el siguiente nivel son: Electrones: partculas leptnicas con carga elctrica negativa. Protones: partculas barinicas con carga elctrica positiva. Neutrones: partculas barinicas sin carga elctrica (pero con momento magntico). A partir de aqu hay todo un conjunto de partculas subatmicas que acaban finalmente en los constituyentes ltimos de la materia. As por ejemplo virtualmente los bariones del ncleo (protones y neutrones) se mantienen unidos gracias a un campo escalar formado por piones (bosones de espn cero). E igualmente los protones y neutrones, sabemos que no son partculas elementales, sino que tienen constituyentes de menor nivel que llamamos quarks (que a su vez se mantienen unidos mediante el intercambio de gluones virtuales). 4. Nivel macroscpico. Macroscpicamente, la materia msica se presenta en las condiciones imperantes en el sistema solar, en uno de cuatro estados de agregacin molecular: slido, lquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teora cintica molecular la materia se encuentra formada por molculas y stas se encuentran animadas de movimiento, el cual cambia constantemente de direccin y velocidad cuando chocan o bajo el influjo de otras interacciones fsicas. Debido a este movimiento presentan energa cintica que tiende a separarlas, pero tambin tienen una energa potencial que tiende a juntarlas. Por lo tanto el estado fsico de una sustancia puede ser: Slido: si la energa cintica es menor que la potencial. Lquido: si la energa cintica y potencial son aproximadamente iguales. Gaseoso: si la energa cintica es mayor que la potencial. Plasma: si la energa cintica es tal que los electrones tienen una energa total positiva.Bajo ciertas condiciones puede encontrarse materia msica en otros estados fsicos, como el condensado de Bose-Einstein o el condensado ferminico. La manera ms adecuada de definir materia msica es describiendo sus cualidades: Presenta dimensiones, es decir, ocupa un lugar en un espacio-tiempo determinado. Presenta inercia: la inercia se define como la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento. La materia es la causa de la gravedad o gravitacin, que consiste en la atraccin que acta siempre entre objetos materiales aunque estn separados por grandes distancias. 5. LA MATERIA EST FORMADA POR TOMOS. La teora cintica es capaz de explicar los estados de la materia, pero no es capaz de explicar la diferencia entre los distintos tipos de sustancias. Para intentar explicar estas diferencias, en el siglo XIX, John Dalton propuso esta teora: Todas las sustancias estn formadas por unas partculas muy pequeas e indivisibles llamadas tomos. Cada elemento qumico est formado por tomos iguales que, a su vez, son diferentes a los tomos de otros elementos qumicos. Por ejemplo, los tomos de oxgeno son diferentes a los tomos de hidrgeno. Los compuestos estn formados por la unin de dos o ms tomos diferentes. Adems, la proporcin de tomos de cada clase que se unen para formar una sustancia es siempre la misma. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por la unin de dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno. 6. El tomo es un constituyente de la materia ordinaria, con propiedades qumicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes ms elementales sin propiedades qumicas bien definidas. Cada elemento qumico est formado por tomos del mismo tipo (con la misma estructura electrnica bsica), y que no es posible dividir mediante procesos qumicos. Actualmente se conoce que el tomo est compuesto por un ncleo atmico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se haba pensado que los tomos eran indivisibles, de ah su nombre a-tmo- 'sin partes'. Poco despus se descubri que tambin el ncleo est formado por partes, como los protones, con carga positiva, y neutrones, elctricamente neutros.nota 1 Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagntica.Los tomos se clasifican de acuerdo al nmero de protones y neutrones que contenga su ncleo. El nmero de protones o nmero atmico determina su elemento qumico, y el nmero de neutrones determina su istopo. Un tomo con el mismo nmero de protones que de electrones es elctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion. 7. Partculas subatmicas. A pesar de que tomo significa indivisible, en realidad est formado por varias partculas subatmicas. El tomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepcin del hidrgeno-1, que no contiene neutrones, y del catin hidrgeno o hidrn, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del tomo se denominan nucleones, por formar parte del ncleo atmico. El electrn es la partcula ms ligera de cuantas componen el tomo, con una masa de 9,11 1031 kg. Tiene una carga elctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga elctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partcula elemental. El protn y el neutrn no son partculas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partculas fundamentales recogidas en el modelo estndar de la fsica de partculas, con cargas elctricas iguales a +2/3 y 1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protn contiene dos quarks u y un quark, existen otras partculas subatmicas en el modelo estndar: ms tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrn), etc. 8. El ncleo atmico. Los protones y neutrones de un tomo se encuentran ligados en el ncleo atmico, la parte central del mismo. El volumen del ncleo es aproximadamente proporcional al nmero total de nucleones, el nmero msico A,5 lo cual es mucho menor que el tamao del tomo, cuyo radio es del orden de 105 fm o 1 ngstrm (). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho ms intensa que la fuerza electromagntica a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsin elctrica entre los protones. Los tomos de un mismo elemento tienen el mismo nmero de protones, que se denomina nmero atmico y se representa por Z. Los tomos de un elemento dado pueden tener distinto nmero de neutrones: se dice entonces que son istopos. Ambos nmeros conjuntamente determinan el nclido. El ncleo atmico puede verse alterado por procesos muy energticos en comparacin con las reacciones qumicas. Los ncleos inestables sufren desintegraciones que pueden cambiar su nmero de protones y neutrones emitiendo radiacin. Un ncleo pesado puede fisionarse en otros ms ligeros en una reaccin nuclear o espontneamente. Mediante una cantidad suficiente de energa, dos o ms ncleos pueden fusionarse en otro ms pesado. 9. Nube de electrones. Los cinco primeros orbitales atmicos. Los electrones en el tomo son atrados por los protones a travs de la fuerza electromagntica. Esta fuerza los atrapa en un pozo de potencial electrosttico alrededor del ncleo, lo que hace necesaria una fuente de energa externa para liberarlos. Cuanto ms cerca est un electrn del ncleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energa necesaria para que escape.Los electrones, como otras partculas, presentan simultneamente propiedades de partcula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del ncleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas ondas est caracterizada por un orbital atmico, una funcin matemtica que describe la probabilidad de encontrar al electrn en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuntico. La nube de electrones es la regin ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del ncleo. Cada orbital corresponde a un posible valor de energa para los electrones, que se reparten entre ellos. 10. Propiedades atmicas.Masa. La mayor parte de la masa del tomo viene de los nucleones, los protones y neutrones del ncleo. Tambin contribuyen en una pequea parte la masa de los electrones, y la energa de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y energa. La unidad de masa que se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad de masa atmica (u). Esta se define como la doceava parte de la masa de un tomo neutro de carbono-12 libre, cuyo ncleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 10-27 kg aproximadamente. En comparacin el protn y el neutrn libres tienen una masa de 1,007 y 1,009 u. La masa de un tomo es entonces aproximadamente igual al nmero de nucleones en su ncleo el nmero msico multiplicado por la unidad de masa atmica. El tomo estable ms pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u.8 En qumica se utiliza tambin el mol como unidad de masa. Un mol de tomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo nmero de estos (6,022 1023), lo cual implica que un mol de tomos de un elemento con masa atmica de 1 u pesa aproximadamente 1 gramo. En general, un mol de tomos de un cierto elemento pesa de forma aproximada tantos gramos como la masa atmica de dicho elemento. 11. Tamao. Los tomos no estn delimitados por una frontera clara, por lo que su tamao se equipara con el de su nube electrnica. Sin embargo, tampoco puede establecerse una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los electrones. En la prctica, se define el radio atmico estimndolo en funcin de algn fenmeno fsico, como la cantidad y densidad de tomos en un volumen dado, o la distancia entre dos ncleos en una molcula. Los diversos mtodos existentes arrojan valores para el radio atmico de entre 0,5 y 5 . Dentro de la tabla peridica de los elementos, el tamao de los tomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo una fila, para aumentar sbitamente al comienzo de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de energa ms altos.9 Las dimensiones del tomo son miles de veces ms pequeas que la longitud de onda de la luz (400-700 nm) por lo que estos no pueden ser observados utilizando instrumentos pticos. En comparacin, el grosor de un cabello humano es equivalente a un milln de tomos de carbono. Si una manzana fuera del tamao de la Tierra, los tomos en ella seran tan grandes como la manzana original. 12. Niveles de energa. Un electrn ligado en el tomo posee una energa potencial inversamente proporcional a su distancia al ncleo y de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energa es la cantidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada habitualmente para expresarla es el electrnvoltio (eV). En el modelo mecanocuntico solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un electrn ligado puede encontrarse ,es decir, enumerables cada uno con un cierto valor de la energa. El nivel con el valor ms bajo se denomina el estado fundamental, mientras que el resto se denominan estados excitados.Cuando un electrn efecta una transicin entre dos estados distintos, absorbe o emite un fotn, cuya energa es precisamente la diferencia entre los dos niveles. La energa de un fotn es proporcional a su frecuencia, as que cada transicin se corresponde con una banda estrecha del espectro electromagntico denominada lnea espectral. 13. El concepto de tomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filsofos griegos Demcrito, Leucipo y Epicuro, sin embargo, no se gener el concepto por medio de la experimentacin sino como una necesidad filosfica que explicara la realidad, ya que, como proponan estos pensadores, la materia no poda dividirse indefinidamente, por lo que deba existir una unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos macroscpicos que nos rodean.14 El siguiente avance significativo no se realiz hasta que en 1773 el qumico francs Antoine-Laurent de Lavoisier postul su enunciado: La materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La ley de conservacin de la masa o ley de conservacin de la materia; demostrado ms tarde por los experimentos del qumico ingls John Dalton quien en 1804, luego de medir la masa de los reactivos y productos de una reaccin, y concluy que las sustancias estn compuestas de tomos esfricos idnticos para cada elemento, pero diferentes de un elemento a otro.15 Luego en 1811, el fsico italiano Amedeo Avogadro, postul que a una temperatura, presin y volumen dados, un gas contiene siempre el mismo nmero de partculas, sean tomos o molculas, independientemente de la naturaleza del gas, haciendo al mismo tiempo la hiptesis de que los gases son molculas poliatmicas con lo que se comenz a distinguir entre tomos y molculas.16 El qumico ruso Dmtri Ivnovich Mendelyev cre en 1869 una clasificacin de los elementos qumicos en orden creciente de su masa atmica, remarcando que exista una periodicidad en las propiedades qumicas. Este trabajo fue el precursor de la tabla peridica de los elementos como la conocemos actualmente.17 La visin moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el experimento de Rutherford en 1911 y el modelo atmico de Bohr. Posteriores descubrimientos cientficos, como la teora cuntica, y avances tecnolgicos, como el microscopio electrnico, han permitido conocer con mayor detalle las propiedades fsicas y qumicas de los tomos. 14. Modelo de Dalton. Fue el primer modelo atmico con bases cientficas, fue formulado en 1803 por John Dalton, quien imaginaba a los tomos como diminutas esferas.19 Este p...