Models atòmics 2017
- 1. Models atòmics Química 2n Batxillerat - IES SantVicent Ferrer - Algemesí
- 2. L’àtom és divisible: fenòmens que ho suggereixen La conductivitat elèctrica de les dissolucions i la teoria de la dissociació iònica Les experiències en tubs de gasos incandescents (raigs catòdics i anòdics) i el descobriment de l’electró, la primera partícula subatòmica, i del protó L’estudi de la radioactivitat: els raigs α, β i γ Els models deThomson i Rutherford L’experiència de Rutherford
- 3. Els orígens de l’electroquímica A principis del segle XIX, Davy i Faraday investigaren la conductivitat elèctrica de certes dissolucions anomenades ELECTRÒLITS, on la conducció elèctrica anava acompanyada d’una reacció d’ELECTRODESCOMPOSICIÓ o ELECTRÒLISI Per a explicar-ho postularen l’existència d’àtoms amb càrrega elèctrica, els anomenats: IONS. N’hi havia de dos tipus: ANIONS (-) i CATIONS (+). Foren els inicis de la teoria iònica La teoria de la DISSOCIACIÓ IÒNICA de Svante Arrhenius amplià aquestes hipòtesis explicant que les substàncies iòniques en dissoldre-les es separaven en ions positius i ions negatius, portadors de càrrega neta Si els ÀTOMS poden ser portadors de càrrega neta i discreta, haurien d’estar constituïts per partícules més petites portadores de càrrega que es puguen intercanviar, però com seria això possible si els ÀTOMS QUÍMICS són INDIVISIBLES!!!
- 5. Svante Arrhenius (1859-1927) Autor de la teoria de la dissociació iònica Què queda de l’ÀTOM INDIVISIBLE i IMMUTABLE de laTEORIA ATÒMICA de John DALTON? John Dalton (1766-1844)
- 6. Descàrregues en tubs de gasos Els raigs catòdics: tenen càrrega elèctrica negativa (es desvien en presència d’un imant), interaccionen amb objectes sòlids (tenen massa), fan ombres nítides (es propaguen en línia recta), semblen procedir del càtode (-)
- 7. Els raigs catòdics fan ombres en els obstacles, perquè es propaguen en línia recta
- 8. El descobriment de l’electró Els experiments de J.J.Thomson (1897) demostraren que els raigs catòdics estaven formats per partícules de càrrega negativa que s’anomenaren electrons. Els resultats donaren una relació q/m = 1,76·1011 C/kg, independentment de la naturalesa del gas
- 9. La càrrega de l’electró L’experiment de les gotes d’oli, fet per Robert Millikan (1909), donà com a resultat una càrrega bàsica que correspondria a la càrrega dels electrons. En unitats del S.I. resulta ser: qe = -1,6·10-19 C
- 10. Quina és la massa d’un electró? Dels experiments deThomson coneixem la relació q/m Dels experiments de Millikan coneixem qe Per tant: q/m = 1,76·1011 C/kg qe = 1,6·10-19 C aïllem m = 1,6·10-19 / 1,76·1011 kg = 9,09·10-31 kg Però què significa el resultat obtingut? Si el comparem amb la massa atòmica de l’hidrogen tenim:
- 11. Massa de l’electró en unitats de massa atòmica relativa Ar(H) = 1 però si l’expressem en kg obtindrem un valor a comparar amb la massa de l’electró abans calculada Com sabem que la massa molar de l’hidrogen és 1 g/mol d’àtoms d’H, i en 1 mol hi ha aproximadament 6,022·1023 àtoms tindrem: 6,022·1023 àtoms pesen 1 g = 10-3 kg 1 àtom pesarà: 10-3 / 6,022·1023 = 1,66·10-27 kg Si ho comparem amb l’electró, veurem que la massa d’aquest és MOLT INFERIOR a la de l’àtom més lleuger. Si dividim el major pel menor obtenim: mH/me = 1827 o bé me/mH = 0,00055
- 12. Els raigs canals o anòdics Tenen càrrega positiva, sembla que vinguen de l’ànode, tenen masses diferents segons la naturalesa del gas que conté el tub. Quan el gas és hidrogen tenen la menor massa possible
- 13. El descobriment del protó Els experiments de Goldstein (1886) en tubs de raigs anòdics mostraren l’existència d’una partícula molt simple de càrrega positiva i d’una massa semblant a l’hidrogen, que anomenaren protó. La massa d’un protó és 1836 vegades major que la d’un electró i el protó és neutralitza quan capta un electró. Quina és la massa i la càrrega d’un protó? Si la massa d’un electró val me = 9,09·10-31 kg i la massa d’un protó és 1836 vegades major, això vol dir que mp = 1836 · 9,09·10-31 = 1,67·10-27 kg (a què s’assembla?) Si el protó es neutralitza quan captura un electró vol dir que tenen la mateixa càrrega però de signe contrari: qe = -1,6·10-19C ; qp = +1,6·10-19C
- 14. Animacions a laWEB Raigs catòdics http://www.youtube.com/watch?v=4QAzu6fe8rE L’experiment de Millikan http://www.youtube.com/watch?v=XMfYHag7Liw http://www.youtube.com/watch?v=62CDDZo9t48&feature=related Radioactivitat http://www.youtube.com/watch?v=vuGvQjCOdr0 http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=ec8iomUS34U L’experiment de Rutherford http://www.youtube.com/watch?v=kHaR2rsFNhg&feature=related
- 15. Què és la radioactivitat? Les investigacions dels esposos Curie, Marie i Pierre, obriren el camí a explicar els estranys fenòmens observats per Henri Becquerel en el comportament de les sals d’urani sobre unes plaques fotogràfiques
- 16. Arribaren a la conclusió que, no sols les sals d’urani, sinó també les de nous elements que aïllaren i caracteritzaren, com el poloni i el radi, tots ells elements de massa atòmica molt gran, tenien la propietat d’irradiar al seu voltant de forma totalment espontània el que ells van anomenar RADIOACTIVITAT o emissions radioactives
- 17. Es caracteritzaven per diversos efectes en l’entorn: ionitzaven fortament l’ambient, impressionaven plaques fotogràfiques, afectaven els teixits biològics, d’una forma que podia arribar a ser tan greu que al principi no foren conscients del perill que podrien arribar a patir si no prenien mesures protectores, també podien penetrar cossos opacs, etc. Carcinoma papil·lar de tiroidesNecrosi per manipulació de radiografies
- 18. Tipus de radiacions Ernest Rutherford amplià les investigacions dels esposos Curie i amb la seua col·laboració van caracteritzar les emissions radioactives on trobaren fins aTRES tipus diferents de radiacions, anomenades: α, β i γ Raigs α : tenen CÀRREGA POSITIVA (+2), massa atòmica Ar = 4, travessen l’aire, però no un full de paper Raigs β : tenen CÀRREGA NEGATIVA (-1), massa atòmica com els electrons, travessen el paper però no una làmina d’Al Raigs γ : no tenen ni càrrega (0), ni massa (0), són com raigs X de molt alta energia i només són absorbits per una làmina de Pb
- 19. Taula de poders de penetració Tipus de radiació Fonts habituals Energia aproximada Poder de penetració aproximat en Aire sec Teixits Plom Raigs Alfa (α) Ra-226 Rn-222 Po-210 5 MeV 4 cm 0,05 mm 0 Raigs Beta (β) Triti (3 H) Sr-90 I-131 C-14 0,05-1 MeV 6-300 cm 0,06-4 mm 0,005-0,3 mm Raigs Gamma (γ) Co-60 Cs-137 Productes del Ra-226 1 MeV Gruix per a reduir la intensitat inicial el 10 % 400 m 50 cm 30 mm Raigs X: Diagnòstics Terapèutics - - Fins a 90 keV Fins a 250 keV 120 m 240 m 15 cm 30 cm 0,3 mm 1,5 mm
- 20. El model atòmic deThomson Els experiments amb els tubs de raigs catòdics dugueren a la convicció que l’àtom devia tenir una estructura interna per a poder explicar la formació d’aquest fenomen J.J.Thomson suposà que la major part de l’àtom estaria constituïda per la càrrega positiva, necessària per a equilibrar la càrrega negativa dels electrons que s’alliberen en els raigs catòdics Si el gruix de l’àtom el constituïa una zona massiva de càrrega positiva, la càrrega negativa s’hauria de moure per tot l’àtom inserida en la massa positiva, d’això se’n diu MODEL ATÒMIC DETHOMSON
- 21. Joseph JohnThomson (1856-1940) Model estàtic deThomson Model dinàmic de Kelvin -Thomson PRIMERS MODELSATÒMICS
- 22. L’experiment de Rutherford Per tal de verificar el model deThomson, Ernest Rutherford dissenyà un experiment fonamental, on bombardejava fines làmines d’or i d’altres metalls amb partícules radioactives (α) Les seues prediccions suposaven que la majoria de les partícules havien de dispersar-se de forma més o menys homogènia, atès que l’àtom, segonsThomson, era massís Els resultats de l’experiment foren totalment inesperats: les partícules travessaven quasi per complet les làmines, sense desviar-se gens, algunes es desviaven uns pocs graus i, de tant en tant, algunes rebotaven en grans angles
- 23. Experiment de Geiger i Marsden (1911) Dispersió de partícules α Esquema amb el resultat dels tres tipus de dispersió: cap dispersió, desviació suau, rebot
- 24. DETALLSTÈCNICS DE L’EXPERIMENT: Substància radioactiva: el RADI, recentment obtingut pels esposos Curie, emet partícules α a uns 107 m/s, de forma uniforme (bloc de Pb) Blanc on incidir: metall molt mal·leable, làmines fines. S’emprà l’OR d’on es poden obtenir làmines d’espessor 0,1 μm Sistema detector: pantalla mòbil de ZnS que produeix luminescència
- 25. Lord Ernest Rutherford (1871-1937) INTERPRETACIÓ DELS RESULTATS SEGONS RUTHERFORD A escala de la làmina (esq.) i a escala d’unÀTOM (dr.)
- 26. El model atòmic de Rutherford Els sorprenents resultats de l’experiment de dispersió de partícules α suggeriren a Lord Rutherford i els seus ajudants Geiger i Marsden, la possibilitat que l’àtom no fora massís sinó ben al contrari estiguera buit en la seua major part i quasi tota la massa es concentrara en una part central anomenada NUCLI ATÒMIC Un primer càlcul que feren fou la RELACIÓ ENTRE EL RADI ATÒMIC I EL RADI NUCLEAR: rat/rnuc ≈ 10 000 Determinaren la CÀRREGA NUCLEAR (+), que sempre era múltiple enter de la càrrega d’un electró, però positiva. Per això pensaren que el nucli estaria format per Z protons
- 27. L’àtom nuclear de Rutherford Amb això quedava una dada per explicar, la massa atòmica no corresponia al total de protons i electrons Ells postularen l’existència al nucli d’una tercera partícula, sense càrrega i amb una massa semblant a la del protó, que anomenaren NEUTRÓ. No es confirmaria la seua existència fins l’any 1932 que James Chadwick el descobrí Segons això el nucli estaria format per Z protons (nombre atòmic) i N neutrons, que sumats donarien: A = Z + N, on A és el nombre màssic, nombre enter pròxim al valor de la massa atòmica, però DIFERENT
- 28. Les masses de les partícules subatòmiques Partícula Càrrega elèctrica (C) Càrrega elèctrica relativa (q/|qe|) Massa en repòs (kg) Massa relativa (uma) Electró -1,6022·10 -19 -1 9,1094·10 -31 0,00054858 Protó +1,6022·10 -19 +1 1,6726·10 -27 1,0073 Neutró 0 0 1,6749·10 -27 1,0086 Aquestes dades plantegen alguna qüestió interessant, com ara, per què s’assemblen tant les masses del protó i del neutró, quina és major, per què podria ser...? Què passa si sumem la massa de l’electró i la del protó? S’obté la del neutró? Heu sentit parlar dels neutrins...? Les PARTÍCULES “ELEMENTALS” són tot un món
- 29. Limitacions del model de Rutherford Aconseguí explicar: formació d’anions i cations, identificar el nucli dels àtoms on es concentra la seua massa, definir els elements a partir de Z i predir l’existència dels neutrons Limitació: INESTABILITATTEÒRICA (segons les lleis de l’electromagnetisme un electró amb un moviment accelerat va perdent energia i s’estavellaria contra el nucli) Limitació: DIFICULTAT PER A EXPLICAR ELS ESPECTRES ATÒMICS (els espectres atòmics són discontinus, és a dir tenen ratlles). Si l’electró perdera energia contínuament els espectres atòmics serien continus (l’arc iris, p.e.)
- 30. Què són els espectres atòmics? Quan l’energia lluminosa interacciona amb la matèria s’altera la composició dels àtoms, els seus electrons canvien d’estat Si sotmetem un gas a baixa pressió a un voltatge molt elevat podem aconseguir que esdevinga INCANDESCENT La matèria incandescent EMET LLUMVISIBLE i també radiació no visible (IR, UV...) però detectable amb aparells Si fem passar la llum emesa per un PRISMA DEVIDRE o UNA XARXA DE DIFRACCIÓ, es produeix el fenomen de la DISPERSIÓ o DESCOMPOSICIÓ DE LA LLUM EN COLORS o més exactament en FREQÜÈNCIES DIFERENTS
- 31. L’espectre mostra les diferents n i l :
- 32. Els gasos tenen espectres de ratlles
- 33. Niels Bohr proposa un model per explicar els espectres atòmics i l’estabilitat atòmica Niels Bohr va tindre en compte una IDEA NOVA en física, proposada per Max Plank: QUAN INTERACCIONEN MATÈRIA I ENERGIA ELS INTERCANVIS ES PRODUEIXEN EN FORMA DE PAQUETS MÍNIMS D’ENERGIA. Un paquet d’energia s’anomena QUANTUM i val: E = h·n Així va formular diferents principis en forma de POSTULATS per explicar què passa en un àtom senzill com l’HIDROGEN Segons BOHR l’únic electró de l’hidrogen pega voltes al nucli (protó) en òrbites estables i pot canviar d’una òrbita a una altra quan intercanvia energia
- 34. Òrbites permeses i prohibides Quan l’electró rep energia i per tantCREIX la seua energia, bota d’una òrbita interior a una més externa Quan un electró perd energia i per tant DISMINUEIX la seua energia, bota de fora cap a dins En ambdós casos la diferència d’energia entre òrbites es transforma en LLUM DE CERTA FREQÜÈNCIA segons la fórmula de Planck: DE = h·n Només hi ha un problema: L’ELECTRÓ NO POT ESTAR EN QUALSEVOL ÒRBITA, PERQUÈ HI HA ÒRBITES PROHIBIDES I ÒRBITES PERMESES
- 35. Model de Bohr
- 36. L’espectre d’hidrogen segons Bohr L’HIDROGEN ÉS L’ÀTOM MÉS SENZILL PER AIXÒ EL SEU ESPECTRE TAMBÉ ÉS SENZILL. EN LA ZONAVISIBLE L’ESPECTRE D’EMISSIÓ TÉ QUATRE RATLLES PRINCIPALS: ROJA, BLAVA,VIOLETA IVIOLETA. LES RATLLES CORRESPONEN ATRANSICIONS ENTRE ÒRBITES. P. E., LA DE COLOR ROIG CORRESPON AL SALT DE L’ELECTRÓ ENTRE LES ÒRBITESTERCERA I SEGONA I ELS ALTRES COLORS CORRESPONEN A SALTS DES D’ÒRBITES MÉS LLUNYANES SEMPRE ACABANT EN LA SEGONA ÒRBITA
- 37. Limitacions del model de Bohr L’únic espectre que explica és el d’HIDROGEN La resta d’espectres atòmics són massa complexos Quan milloren les tècniques d’anàlisi es comprova que el mateix espectre d’hidrogen té aspectes inexplicables: TOTES LES RATLLES NO BRILLEN AMB LA MATEIXA INTENSITAT i, a més, N’HI HA DE MÉS NÍTIDES I DE MÉS DIFUSES Si, a més, utilitzem camps magnètics que interferisquen amb l’hidrogen incandescent, ALGUNES RATLLES ES DESDOBLEN EN MULTIPLETS EL MODEL DE BOHR ÉS UNA PRIMERA APROXIMACIÓ PERÒ NO ÉS ENCARA UN MODEL SUFICIENTMENT EXACTE
- 38. CAP AL MODEL QUÀNTIC DE L’ÀTOM Després de Bohr els científics preferiren començar-ho tot de nou, reescrivint les lleis de la Física en una nova ciència que coneixem com a FÍSICA QUÀNTICA