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EL GRAN CAMBIO DE LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON PARTÍCULAS SUBATÓMICAS E ISÓTOPOS |
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A finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX llegaron dos grandes cambios a la Teoría Atómica de la materia de Dalton. Ambos vinieron de la mano de la misma persona: J.J. THOMSON (el antiDalton)
En 1897 J.J.THOMSON descubrió la primera partícula subatómica: el electrón. El átomo era divisible. Luego vinieron los protones, neutrones, ...En 1913, J.J.THOMSON demostró que los átomos de un mismo elemento podían tener masas diferentes.Con ambos descubrimientos poco quedaba de la idea original de Dalton. La imagen de elementos formados por átomos con la misma masa o de átomos indivisibles había saltado por los aires. Los átomos de Dalton no eran las partículas más pequeñas de materia. |
INDICE- Principios de la Teoría Atómica - Elemento (versión Dalton), compuesto, molécula y red cristalina -Explicación de las leyes ponderales -Medida de las masas atómicas (Dalton) -Medida exacta de las masas atómicas -Mol. Masa Molar -Isótopos. Unidad de masa atómica - Masa atómica relativa y absoluta - El tamaño de los átomos y las moléculas - Cálculos basados en la teoría atómica
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ESPECTRÓGRAFO DE MASASEl espectrógrafo de masas fue el aparato que permitió a J.J.Thomson descubrir que los átomos de un mismo elemento podían tener masas diferentes.En la parte final del espectrógrafo de masas, los átomos (previamente ionizados) pasan a una cámara en la que un campo magnético desvía la trayectoria rectilínea y la convierte en circular. El radio del círculo descrito depende de la masa y de la carga de los iones formados. Si todos tienen la misma carga, la presencia de diversas trayectorias pone de manifiesto que hay átomos (del mismo elemento) con masas diferentes.
En el caso del mercurio hay siete, con masas 196, 198, 199, 200, 201, 202 y 204 uma.
La siguiente simulación permite entender con detalle el funcionamiento del espectrógrafo de masas.
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¿QUÉ ES UN ELEMENTO QUÍMICO?Después del descubrimiento de J.J.Thomson había que cambiar la definición de elemento químico. Ya no podíamos decir que un elemento era una sustancia formada de átomos con la misma masa.
En 1913 cambia la definición de elemento químicoSegún Thomson un elemento es una sustancia formada por átomos con el mismo número atómico, es decir, con el mismo número de protones en el núcleo.En paralelo a esta nueva definición se necesitaba otra para referirse a los átomos diferentes que estaban presentes en los elementos en la naturaleza.ISÓTOPOS SON ÁTOMOS DE UN MISMO ELEMENTO QUE TIENEN MASAS DIFERENTES
Casi todos los elementos químicos recogidos en la naturaleza son una combinación de isótopos, unos son estables y otros inestables (radiactivos). Por ejemplo, el carbono es una mezcla de tres isótopos: C-12; C-13 y C-14. |
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CAMBIO EN LA UNIDAD DE MASA ATÓMICAEl descubrimiento de los isótopos obligó a un cambio en la unidad de masa atómica. La primera definición de unidad de masa atómica es de Dalton (1808). Para él la unidad de masa atómica era la masa del átomo de hidrógeno, el más pequeño, con ello aseguraba que todos los valores de masas atómicas fueran mayor que 1.Con el tiempo, diversos químicos (Berzelius, Dulong-Petit) modificaron esa definición, llegando a usar el átomo de oxígeno como unidad de masa atómica. Sin embargo, con el descubrimiento de los isótopos, la definición de masa atómica ya no se podía hacer en base a un supuesto átomo "medio" de uno u otro elemento. Además estaba la necesidad de ganar precisión en las medidas. La determinación de las masas en química nuclear se hace con cuatro o más cifras significativas, por ello había que cambiar la definición de la unidad de masa atómica.LA UNIDAD DE MASA ATÓMICA ES LA DOCEAVA PARTE DE LA MASA DEL ÁTOMO DE CARBONO-12
Este cambio también nos llevaría a cambiar la definición de mol:Mol es la cantidad de una sustancia pura (elemento o compuesto) que tiene el mismo número de partículas que átomos de carbono hay en 12 g de carbono isotópicamente puro C-12.OJO: Aunque formalmente ha cambiado mucho la definición de unidad de masa atómica, su valor casi no ha cambiado. La doceava parte de la masa de un un átomo de C-12 es casi igual numéricamente a la masa del átomo de hidrógeno. |
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LA MASA ATÓMICA DE UN ELEMENTO QUÍMICO ES LA MEDIA PONDERADA DE LAS MASAS DE SUS ISÓTOPOSSi los elementos naturales son una mezcla de isótopos ¿qué significado tiene la masa atómica de un elemento?Como veremos en el siguiente ejemplo, la masa atómica de un elemento es la media ponderada de las masas de sus isótopos.En la naturaleza existen 2 isótopos estables de carbono (C-12 y C-13). El isótopo C-14 se forma continuamente a partir del nitrógeno atmosférico y es radiactivo. ¿Cuál es la masa atómica del carbono natural?
En la naturaleza existen tres isótopos estables del Neón. ¿Cuál es la masa atómica del Neón natural?
La siguiente similación de PHET permite aprender más acerca de los isótopos.
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ISÓTOPOS FAMOSOSDATACIÓN DE MUESTRAS (CARBONO-14 Y URANIO-238)El C-14 se forma continuamente a partir de nitrógeno atmosférico por el bombardeo de los rayos cósmicos. Ese isótopo de carbono es inestable y se descompone de nuevo en nitrógeno con un periodo de semidesintegración de 5730 años. Tiene tiempo, por tanto, para pasar al dióxido de carbono atmosférico mezclado con los otros isótopos de carbono y de él a las plantas (fotosíntesis) y de las plantas a los animales. Una vez muerto el organismo vivo, el C-14 irá desapareciendo a una velocidad constante que es conocida. En consecuencia, determinando la cantidad de C-14 de una muestra orgánica podemos inferir el tiempo que ha pasado desde su muerte. El mismo principio se aplica a la datación de muestras mucho más antiguas midiendo las cantidades remanentes de U-238.La siguiente simulación de PHET ejemplifica el uso de ambos isótopos en tareas de datación.
ENERGÍA NUCLEAR (URANIO-235)La energía nuclear liberada lentamente en una central nuclear o rápidamente en una explosión nuclear tiene su origen (entre otros) en un isótopo del uranio: U-235. Este isótopo del uranio sufre fisión nuclear cuando sus núcleos son alcanzados por neutrones lentos. En ese momento el núcleo se rompe y forma dos núcleos pequeños liberando nuevos neutrones y mucha energía.La siguiente simulación de PHET le ayuda a entender la fisión nuclear
NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA (HELIO-3)La actual energía nuclear está basada en la fisión nuclear. Este es un proceso sucio que genera residuos peligrosos. Como alternativa, la comunidad científica lleva muchos años intentando reproducir en la Tierra la fusión nuclear que se da en el interior del Sol. Actualmente se pretende conseguir la fusión nuclear haciendo chocar átomos de deuterio y trítio (isótopos del hidrógeno), sin embargo, esa reacción produce neutrones, hecho que complica la seguridad de la instalación. Habría una alternativa mucho mejor: hacer chocar deuterio y He-3. En este caso, en lugar de neutrones se liberan protones reduciendo el problema de seguridad. Solo hay un problema: en la Tierra casi no hay He-3.El He-3 es producido en grandes cantidades por el Sol y viaja en el viento solar. El campo magnético de la Tierra impide que llegue a su superficie, sin embargo, eso no pasa en la Luna. Su superficie es barrida por el viento solar y acumula grandes cantidades de este isótopo He-3. Tarde o temprano los humanos iremos a la Luna para recoger He-3 y traerlo a la Tierra. Sería el fin del problema de la energía durante milenios. Un dato: 25 toneladas de He-3 suministrarían la energía que gasta EEUU durante un año. Esa cantidad de He-3 se puede transportar en una sola lanzadera espacial. Se cree que en la Luna hay 1100000 toneladas de He-3.
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