Estructura de l'àtom i Taula Periòdica: teories i propietats

Sumari

Estructura de l'àtom i Taula Periòdica

1. Teories atòmiques
   • Demòcrit
   • Dalton
2. Model atòmic de Thomson
3. Model atòmic de Rutherford
4. Radiació electromagnética
   • Espectres atòmics
5. Model atòmic de Bohr
6. Model mecanicoquantic de l'àtom
   • Concepte d'orbital
   • Nombres quantics
   • Configuracions electroniques
7. Taula periòdica dels elements
8. Propietats periòdiques
   • Radi atòmic i radi iònic
   • Energia d'ionització
   • Afinitat electrònica
   • Electronegativitat
   • Carácter metàl.lic

Periodic Table of the Elements 17 He P C . E Ne Mc A C A Ca Sc Cr E N Zn Ge A Y 7 Nb Ma Te Ru Rh Ac Sn Cs TI Ph Pa A - FI RI Sc Hs M Ro Cn Out JUD Jud O NO Pr No LL Th D Ho FTU Sr W Re

Teories atòmiques

Teoria atòmica de Demòcrit

• Des de l'antiguitat els homes ens hem preguntat de que estem fets i com és l'estructura de la matèria.
• Uns 400 anys abans de Crist, el filosof grec Demòcrit va considerar que la matèria estava formada per petitíssimes partícules que va anomenar ÀTOMS (en grec "indivisibles")
• Però les idees de Demòcrit no van ser acceptades en la seva època

Demòcrit d'Abdera (460 aC - 370 aC)

• Durant més de 2000 anys es va imposar el pensament idealista de filosofs com Aristòtil (384-322 aC)
• Pensaven que la matèria era contínua i estava formada per combinacions de quatre elements fonamentals: Foc ferra aire
• Al segle XIX la idea fonamental de la materia es resumia amb les teories de Dalton heretades de Democrit i els Epicurs que suposaven la materia formada per boles. Els anomenats ATOMS.
• Ningú ha estat capaç fins ara d'observar directament l'interior d'un àtom, però s'han reunit nombroses proves experimentals que ens permeten realitzar un bon model de la seva estructura.

Teories atòmiques de Dalton

Teoria atòmica de Dalton

• El 1808, el científicanglès J. Dalton, va establir les bases per a les teories atomiques actuals.
• La matèria està formada per esferes extremadament petites i indivisibles anomenades àtoms.

Cada element quimic té tots els àtoms idèntics, però aquests són diferents a d'altres elements. I Cada compost quimic està format per la unió d'àtoms de diferents elements, sempre del mateix tipus i en la mateixa proporció. Atoms de coure Atoms de sofre Àtoms de X Àtoms de Y Compost format per XiY

John Dalton (1766 - 1844)

• En les reaccions químiques, els àtoms s'intercanvien d'una substancia a una altra, però cap àtom desapareix ni es transforma en un altre element

Teories atòmiques i models

Què són els models?

• Els models son una representació simplificada o idealitzada de la realitat. S'utilitzen quan els objectes o sistemes a descriure són massa petits, massa grans o massa complexes

SOLID LIQUID GAS Estats de la matèria Cèl·lula Sistema solar DNA

• Quan Dalton va recuperar la idea de l'atom, es va començar a investigar per imaginar com seria, fent experiments i proposant models.
• Tots els models tenen les seves limitacions, es a dir, arriba un moment en que no permeten explicar tots els fets relacionats amb un fenomen; llavors es fa necessari substituir-los per models mes satisfactoris.
• Com que ningú ha vist mai un atom, no sabem si el model actual reflecteix del tot la realitat. Però el que sí que és important és que el model expliqui tot el que percebem des de l'exterior.

Resum dels models atòmics

Model atòmic de Thomson

El model de Thomson

• El 1902, el físic angles J. J. Thomson va demostrar que tots els atoms tenien unes particules negatives (electrons) i va proposar un model atomic molt senzill.

0 L'àtom és neutre, però està format per una esfera massissa de carrega positiva on hi ha inserits els electrons, que tenen càrrega negativa L'àtom és neutre Matèria positiva Electrons - - -

Avantatges . Explica els ions · Explica la naturalesa elèctrica de la matèria

Limitacions · No diferencia entre nucli i escorça · No explica la distribució de la massa i la càrrega

Joseph John Thomson (1856 - 1940)

Descobriment dels electrons

Experiment: els raigs catòdics (tenen càrrega elèctrica negativa, tenen massa, no depèn del gas del tub)

Anode Cathode High voltage Fluorescent screen Anode Cathode OF High voltage

Model atòmic de Rutherford

El model de Rutherford

• El 1911, el físic neozelandès E. Rutherford, va demostrar que els àtoms no eren massissos sinó que estaven practicament buits, i que estaven formats per dues parts diferents:

Ernest Rutherford (1871 - 1937)

El NUCLI: és molt petit i és on hi ha practicament tota la massa de l'àtom. El nucli té carrega positiva L'ESCORÇA: és un espai practicament buit i és immens en relació al nucli. Està formada per electrons que giren al voltant del nucli. Els electrons tenen càrrega negativa

Electró Nucli +

Avantatges · Explica l'existència d'isòtops · Explica la reactivitat química

Limitacions · No pot explicar les línies dels espectres atòmics · No explica perquè l'electró no va perdent energia i cau cap al nucli

Si l'atom tingues la mida d'un estadi de futbol, el nucli seria com una canica col-locada en el centre del camp. MES QUE UNICLUB Atom d'He El nucli té una mida 100.000 vegades més petita que el volum total de l'àtom 1 Ångström (-100,000 fm)

Model atòmic de Rutherford: l'experiment

El model de Rutherford

L'experiment de Rutherford

• Va bombardejar una fina lamina d'or amb radiació alfa (a = particules amb carrega positiva)

❖ Resultat esperat (segons el model de Thomson): Les particules travessen la làmina en línia recta

❖ Resultat obtingut: · La majoria de les particules travessaven la làmina sense desviar-se. · Algunes particules van travessar la làmina desviant-se de la trajectòria (0,1%) · Molt poques particules van rebotar contra la làmina i no la van travessar (1 de cada 20000)

Gold foil L 1 Alpha particles Source impact Collimator/shield (lead) Detector (Zn sulfur) i

Radiació electromagnètica

Característiques de les radiacions electromagnètiques

• La radiació electromagnetica es propaga en forma d'ones i es pot propagar en el buit
• En canvi, les ones mecaniques, com el so o les onades del mar, necessiten un medi material que les suporti

Características de les radiacions electromagnétiques (ones)

Freqüència (v o f) ❖ Nombre d'oscil·lacions per unitat de temps (s-1=Hz)

Període (T) ❖ Temps que triga a fer una oscil·lació (s) T.v = 1; T=1/v

Velocitat de propagació (c) ❖ És la velocitat a la qual es desplaça l'ona ❖ En el buit, practicament igual que en l'aire, el seu valor és una constant: c = 3.108 m/s

Longitud d'ona (A) ❖ Distancia entre 2 punts que es troben en el mateix estat d'oscil·lació (m, nm, Å)

longitud d'ona amplitud Direcció de propagació una oscil-lació (freqüència: nombre d'oscil·lacions per segon) Longitud d'ona Longitud d'ona Alta freqüència Baixa freqüència c = 1 . v quan TA => vJ

Espectre de les radiacions electromagnètiques

Espectre de les radiacions electromagnètiques

• La llum del Sol es la radiació electromagnetica mes coneguda. D'altres tipus, com els raig X, la radiació ultraviolada o les microones ens semblen diferents perquè l'ull humà es incapac de veure'ls; tanmateix, tenen la mateixa naturalesa que la llum visible

Espectro visible por el hombre (Luz) Ultravioleta Infrarrojo 400 nm 450 nm 500 nm 550 nm 600 nm 650 nm 700 nm 750 nm Rayos cósmicos Rayos Gamma Rayos X UV- A/B/C Infrarrojo Radar UHF Onda media Onda corta Onda larga Frecuencia extremadamente baja Ultravioleta Microondas Radio 1 fm 1 pm 1 Å 1 nm 1 pm 1 mm 1 m 1 km 1 Mm -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -4 -3 -2 -1 0 2 3 10 4 10 5 10 6 10 10 Frequencia (Hz) 10 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 q 8 7 6 5 3 2 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 (1 Zetta-Hz) (1 Exa-Hz) (1 Peta-Hz) (1 Tera-Hz) (1 Giga-Hz) (1 Mega-Hz) (1 Kilo-Hz) 7 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1 10 10 4 10 Augmenta la longitud d'ona Augmenta l'ENERGIA i la frequencia VHF 1 cm Longitud de onda (m) -5 10

Radiació electromagnètica: Teoria quàntica de Planck

Teoria quàntica de Planck

• Cap a l'any 1900, el físic alemany Max Planck (1858-1947) va estudiar la radiació que emetien els cossos quan s'escalfaven a una temperatura prou alta. I va enunciar la teoria quantica, que postula:

Quan un cos se sotmet a una temperatura prou alta emet energia de forma discontínua com a radiació electromagnetica

La radiació electromagnética consisteix en un conjunt de paquets d'energia anomenats fotons o quantums de radiació

L'energia d'una radiació és l'energia de cadascun dels seus fotons

Energia d'un fotó (E)

• La relació de Planck permet calcular l'energia corresponent a un fotó:

E = h · v h: constant de Planck = 6,63.10-34 J.s v : freqüència (s-1)

• unitats: joules (J) o electronvolts (eV) 1 eV = 1,6.10-19 J
• l'energia (E) és: directament proporcional a la frequència: 1v => îE inversament proporcional a la longitud d'ona: 12=> JE

Radiació electromagnètica: exemples

Exemple 1

La freqüència d'una radiació electromagnética és 2,50-1018 Hz. a) Quina longitud d'ona té? Sabent que la velocitat de la llum en el buit és 3.108 m/s: c =) .v= = C 3.108 m/s - = 1,20 . 10-10 m b) A quina franja de l'espectre pertany? Pertany a la zona dels raigs X S'ha de consultar el diagrama: - V 2,50.1018 1/5 c) Quina energia té un fotó d'aquesta radiació? E = h . v => E = 6,63 . 10-34 ] s . 2,50 . 1018 -1 18 s = E = 1,66 . 10-15 J

Exemple 2

En els discs Blu-ray es fa servir un raig laser de 405 nm de longitud d'ona, mentre que en els DVD el làser és de 4,62·1014 Hz de freqüència. (Dada: 1nm=10 9m) a) Quin làser és més energetic? Si comparem freqüències: v = = = 3.108 m/s 405.10-9 m = 7,41 . 1014 Hz El Blu-ray té més energia perquè la frequència és major Si comparem longituds d'ona, hem d'arribar a la mateixa conclusió: > U 3.108 m/s 4,62.1014 Hz = 6,49 . 10-7 m = 649 nm El Blu-ray té més energia perquè la longitud d'ona és menor

Radiació electromagnètica: espectres atòmics

Espectres atòmics

• La llum blanca esta composta de tota la gamma de colors, del vermell al violeta sense interrupció
• El conjunt de tots els colors s'anomena espectre visible:
• Quan es descompon un feix de llum en els seus components s'obté un espectre i

1. La llum blanca dona un espectre d'emissió continu
2. El gas d'un element químic dóna un espectre d'emissió discontinu
3. Si es fa passar la llum blanca a través d'un gas d'un element, s'obté un espectre d'absorció discontinu

1 Llum blanca Espectre continu 2 Gas Espectre d'emissió 3 Gas Llum blanca Espectre d'absorció

• Cada element quimic té un espectre propi característic
• L'espectre d'absorció d'una substância és el complementari del seu espectre d'emissió