Modelos Atómicos Fundamentales

1. Teoría Atómica de Dalton (1803)

Modelo de la esfera sólida

Postulados:

• La materia está formada por átomos indivisibles e indestructibles.

• Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí en masa y propiedades.

• Los átomos de diferentes elementos tienen masas y propiedades distintas.

• Los compuestos se forman por la unión de átomos en proporciones fijas.

• En las reacciones químicas, los átomos se reorganizan, no se crean ni destruyen.

Fue el primer modelo científico del átomo. Era como una “bolita maciza”, sin partes internas.

2. Modelo de Thomson (1897)

Modelo del «Pudín de Pasas»

Descubrimiento: Descubrió el electrón mediante experimentos con tubos de rayos catódicos.

Postulados: El átomo es una esfera positiva con electrones incrustados como pasas en un pudín. La carga positiva y negativa se equilibran, por lo que el átomo es neutro.

Primer modelo que incluye partículas subatómicas (electrones).

3. Modelo de Rutherford (1911)

Modelo Nuclear del Átomo

Experimento clave:

• Lámina de oro: bombardeó una delgada lámina con partículas alfa y observó cómo se desviaban.

Postulados:

• El átomo tiene un núcleo central muy pequeño, positivo y denso.

• Los electrones giran alrededor del núcleo como planetas alrededor del Sol.

• El resto del átomo es espacio vacío.

Explica la existencia del núcleo, pero no cómo los electrones no caen hacia él.

4. Modelo de Bohr (1913)

Modelo Cuántico Primitivo

Postulados:

1. Los electrones se mueven en órbitas circulares definidas alrededor del núcleo.

2. Cada órbita tiene una energía específica (niveles de energía).

3. Los electrones pueden saltar entre órbitas al absorber o emitir energía en forma de fotones.

4. Mientras un electrón esté en una órbita permitida, no pierde energía.

Explica bien el átomo de hidrógeno, pero falla con átomos más complejos.

Estequiometría: Cálculos de Reacciones Químicas

C1. Reacción de Ácido Nítrico con Hierro

El ácido nítrico (HNO₃) reacciona con el hierro para dar nitrato de hierro (III) [Fe(NO₃)₃] e hidrógeno (H₂). A partir de 450 gramos de hierro, calcular:

a) El volumen de hidrógeno, en litros, que se produce a 715 mmHg y 27 °C

Paso 1: Escribir la ecuación química balanceada

6 HNO₃ + 2 Fe → 2 Fe(NO₃)₃ + 3 H₂

Paso 2: Calcular los moles de hierro

• Masa del hierro = 450 g

• Masa atómica del hierro (Fe) = 56 g/mol

nFe = 450 g / 56 g/mol = 8.036 mol

Paso 3: Usar la proporción estequiométrica

2 Fe → 3 H₂
Entonces:

8.036 mol Fe · (3 mol H₂ / 2 mol Fe) = 12.05 mol H₂

Paso 4: Aplicar la ecuación de los gases ideales para obtener el volumen

PV = nRT ⇒ V = nRT/P

• T = 27 + 273 = 300 K

• P = 715 mmHg = 0.940 atm (1 atm = 760 mmHg)

• R = 0.082 atm·L/mol·K

V = (12.05 · 0.082 · 300) / 0.940 ≈ 315.3 L

Resultado: ~315 L de hidrógeno

b) La masa en gramos de nitrato de hierro (III) que se produce

• De la ecuación:
  2 mol Fe → 2 mol Fe(NO₃)₃
  → Por lo tanto:
  Moles de Fe(NO₃)₃ = 8.036 mol

• Masa molar de Fe(NO₃)₃:

  56 (Fe) + 3 · (14 + 3 · 16) (NO₃) = 56 + 3 · 62 = 56 + 186 = 242 g/mol

Masa = 8.036 mol · 242 g/mol = 1,944.7 g

Resultado: ~1,945 g de Fe(NO₃)₃

c) El número de moléculas de ácido nítrico que se necesitan

De la ecuación:
2 Fe → 6 HNO₃
Entonces:

8.036 mol Fe · (6/2) = 24.11 mol de HNO₃

Número de moléculas (usando el número de Avogadro):

N = 24.11 mol · 6.022 × 1023 = 1.45 × 1025 moléculas

Resultado: 1.45 × 10²⁵ moléculas de HNO₃

C2. Absorción de Dióxido de Carbono en Trajes Espaciales

Los astronautas llevan trajes especiales con un filtro especial de hidróxido de litio que elimina el dióxido de carbono que se desprende al respirar y es tóxico. Como productos de la reacción se produce carbonato de litio y agua.

a) Calcula el volumen de CO₂ que puede absorber a 0 ºC y 1 atm un filtro con 120 g de hidróxido de litio.

Paso 1: Escribir la ecuación química

La reacción entre hidróxido de litio y dióxido de carbono es:

2 LiOH + CO₂ → Li₂CO₃ + H₂O

Paso 2: Calcular los moles de LiOH

Usamos la masa y la masa molar del LiOH.

• Masa molar del LiOH:
  Li = 7, O = 16, H = 1 →

  Masa molarLiOH = 7 + 16 + 1 = 24 g/mol

• Masa dada: 120 g

nLiOH = 120 g / 24 g/mol = 5 mol

Paso 3: Usar proporción estequiométrica

De la ecuación:
2 mol LiOH → 1 mol CO₂

Entonces:

5 mol LiOH · (1 mol CO₂ / 2 mol LiOH) = 2.5 mol CO₂

Paso 4: Calcular el volumen de CO₂

Como las condiciones son 0 ºC (273 K) y 1 atm, se trata de condiciones normales de presión y temperatura (CNPT), por lo tanto:

1 mol de gas = 22.4 L

V = 2.5 mol · 22.4 L/mol = 56 L

Resultado final:
El filtro puede absorber 56 litros de CO₂.

C3. Combustión de Butano

Una bombona de butano (C₄H₁₀, en química orgánica NO se simplifica) estándar contiene 12,5 kg de gas.

a) ¿Qué volumen de gas se desprende a la atmósfera, en condiciones normales, de la combustión de todo el gas de la bombona?

b) ¿Cuál es la masa de agua que se produce?

c) ¿Qué volumen de oxígeno se necesita, a 40 ºC y 0,98 atm, para su combustión?

Paso 1: Ecuación química de la combustión del butano

2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10 H₂O

Paso 2: Calcular los moles de butano

• Masa = 12.5 kg = 12,500 g

• Masa molar del butano (C₄H₁₀) = 4×12 + 10×1 = 58 g/mol

nC₄H₁₀ = 12,500 / 58 ≈ 215.52 mol

a) Volumen de gas que se desprende (CO₂) en condiciones normales

De la ecuación:
2 mol C₄H₁₀ → 8 mol CO₂
→ 1 mol C₄H₁₀ → 4 mol CO₂
→ 215.52 mol C₄H₁₀ → 215.52 · 4 = 862.1 mol CO₂

En condiciones normales (0 ºC, 1 atm):

V = n · 22.4 = 862.1 · 22.4 = 19,299.6 L

Resultado: ~19,300 L de CO₂

b) Masa de agua producida

De la ecuación:
2 mol C₄H₁₀ → 10 mol H₂O
→ 1 mol C₄H₁₀ → 5 mol H₂O
→ 215.52 mol C₄H₁₀ → 215.52 · 5 = 1,077.6 mol H₂O

Masa molar del agua = 2×1 + 16 = 18 g/mol

m = 1,077.6 · 18 = 19,396.8 g = 19.4 kg

Resultado: ~19.4 kg de H₂O

c) Volumen de oxígeno necesario a 40 ºC y 0.98 atm

De la ecuación:
2 mol C₄H₁₀ → 13 mol O₂
→ 1 mol C₄H₁₀ → 6.5 mol O₂
→ 215.52 mol C₄H₁₀ → 215.52 · 6.5 = 1,400.88 mol O₂

Condiciones:

• T = 40 + 273 = 313 K

• P = 0.98 atm

• R = 0.082 atm·L/mol·K

V = nRT/P = (1,400.88 · 0.082 · 313) / 0.98 ≈ 36,610 L

Resultado: ~36,610 L de O₂

Conceptos Fundamentales de Estructura Atómica

A1. Repaso de Modelos Atómicos y Estructura

El modelo de Thomson se conoce como el modelo del pudín de pasas, porque los electrones estaban incrustados en una masa positiva, como pasas en un bizcocho.

Thomson descubrió el electrón.

Ejemplo: Rubidio (Rb)

• Electrones = 37 → número de protones también = 37 (si es neutro).

• Número atómico (Z) = número de protones = 37

• Número másico (A) = protones + neutrones = 37 + 41 = 78

A2. Completa la tabla de Configuración Electrónica

Explicación:

1. El primer caso es Helio (He): tiene 2 protones y 2 electrones → configuración: 1s²

2. El segundo es Cobre (Cu): normalmente tiene configuración especial por estabilidad:

   1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰

3. El tercero es Flúor cargado -1 (F⁻): tiene 9 protones y 10 electrones → gana uno
   → configuración como el Neón (10e⁻): 1s² 2s² 2p⁶

A3. Diferencia entre Isótopo e Ión

Respuesta:

• Isótopo: Átomos del mismo elemento (mismo número de protones) pero diferente número de neutrones, por lo tanto, diferente masa.
  Ej: ¹²C y ¹⁴C

• Ión: Átomo que ha ganado o perdido electrones, por lo tanto tiene carga eléctrica:

  • Gana electrones → anión (carga negativa)

  • Pierde electrones → catión (carga positiva)

A4. Postulados de Bohr

Postulados de Bohr:

1. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares estables.

2. Cada órbita tiene una energía fija y cuantizada.

3. El electrón no emite energía mientras esté en una órbita permitida.

4. Si un electrón salta de una órbita a otra, absorbe o emite energía en forma de fotón.

A5. ¿Qué aporta Sommerfeld a la teoría atómica de Bohr?

Aportación de Sommerfeld:

• Introduce órbitas elípticas, no solo circulares.

• Explica la existencia de subniveles de energía.

• Añade el número cuántico secundario y la idea de desdoblamiento espectral.

• Su teoría fue un paso hacia el modelo cuántico más moderno.

A6. Postulados de la teoría atómica de Dalton

Postulados de Dalton:

1. Toda la materia está formada por átomos indivisibles e indestructibles.

2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí en masa y propiedades.

3. Los compuestos están formados por átomos de distintos elementos en proporciones fijas.

4. En una reacción química, los átomos no se crean ni se destruyen, solo se reorganizan.

Experimentos Clave y Conceptos Atómicos Avanzados

C1. El Experimento de Rutherford y su Modelo Atómico

Explicación completa del experimento de Rutherford:

Experimento:

Rutherford bombardeó una lámina de oro muy fina con partículas alfa (α) emitidas por una fuente radiactiva. Estas partículas son núcleos de helio: 2 protones y 2 neutrones (carga positiva).

Lo que esperaba (modelo de Thomson):

Que todas las partículas atravesaran la lámina sin desviarse, ya que el átomo era supuestamente masa positiva dispersa.

Lo que observó:

• La mayoría de las partículas pasaban sin desviarse → El átomo es casi todo espacio vacío.

• Algunas se desviaban ligeramente → Hay una zona con carga positiva que las repele.

• Unas pocas rebotaban hacia atrás → Esa zona es muy densa y pequeña: el núcleo.

Conclusiones del modelo atómico de Rutherford:

1. El átomo tiene un núcleo central muy pequeño, positivo y con casi toda la masa.

2. Los electrones giran alrededor del núcleo como planetas alrededor del Sol.

3. El resto del átomo es espacio vacío.

4. No explica por qué los electrones no caen al núcleo (lo resolverá Bohr más tarde).

Partes que debes incluir en tu dibujo:

• Fuente emisora de partículas alfa.

• Lámina de oro muy fina.

• Pantalla fluorescente (donde se detecta el impacto).

• Trazo de las partículas:

  • Mayoría pasa recto.

  • Algunas se desvían.

  • Muy pocas rebotan.

C2. Tipos de Hidrógeno (Isótopos) y su Representación con el Modelo de Bohr

Tipos de Hidrógeno:

Se llaman isótopos del hidrógeno, porque tienen el mismo número de protones (1), pero diferente número de neutrones:

Modelo de Bohr para cada uno:

Todos tienen:

• 1 electrón girando en el primer nivel (n=1)

• La única diferencia está en el núcleo:

1. Protio (¹₁H): 1 protón

2. Deuterio (²₁H): 1 protón + 1 neutrón

3. Tritio (³₁H): 1 protón + 2 neutrones

¿Qué incluir en el dibujo para cada uno?

• Un núcleo (círculo central):

  • Protio: solo una bolita con “p⁺”

  • Deuterio: dos bolitas: “p⁺” y “n⁰”

  • Tritio: tres bolitas: “p⁺”, “n⁰”, “n⁰”

• Un electrón orbitando en un círculo alrededor del núcleo

Resumen clave: Todos son hidrógeno, pero con diferentes masas. Se usan en reacciones nucleares, medicina, y química.

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