Title: Unidad 1
Course: Química Plus + 1 BGU

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

¿Cómo piensan y trabajan los científicos?

“Podemos discutir hasta el infinito si los delfines, los chimpancés y otros animales tienen o no capacidad para razonar. Se les puede enseñar a hacer trucos, a resolver enigmas y, hasta cierto punto, a hablar. Una cosa es cierta, sin embargo: solo los seres humanos hacen preguntas. La nuestra es la única especie de la Tierra que al contemplar el esplendor de los cielos quiere saber el porqué” (Glashow, 2000, pág. 41).

Desde nuestros primeros pasos estamos expuestos a todo aquello que puede llamar la atención de nuestros sentidos; nuestra natural curiosidad nos hace preguntarnos ¿por qué? Para la especie humana las ciencias han significado por múltiples ocasiones la oportunidad de dar respuesta al eterno por qué de las cosas.

¿Qué es la ciencia?

La palabra ciencia viene del latín scientia, que significa "conocer".

Se define a la ciencia como un “conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales con capacidad predictiva y comprobables experimentalmente” (Real Academia Española, 2014).

El objeto de estudio de una ciencia es la que la define; así, la Biología estudia la vida, la Química estudia la materia, la Física estudia los fenómenos físicos, la Cosmología estudia el cosmos, etc. A este tipo de ciencias, cuyo objeto de estudio es tangible, se las denomina ciencias fácticas o experimentales.

Los científicos son las personas que producen conocimiento científico a través de la investigación y el uso del denominado método científico.

Los científicos son las personas que producen conocimiento científico a través de la investigación y el uso del denominado método científico.

El método científico

Existen varias definiciones de método científico; sin embargo, podemos decir que es:

Un procedimiento con pasos claramente establecidos, mediante el cual podemos alcanzar un conocimiento objetivo de la realidad y responder preguntas planteadas previamente.

El método científico es riguroso en su sistematización, aplicable a lo general y particular, es flexible y perfectible sin ser laxo, su punto de partida se basa en conocimientos previos, su comprobación o posterior reelaboración.

Etapas del método científico

El método científico consta de las siguientes etapas:

Nuestra curiosidad y el intento por responder al por qué de las cosas han hecho que el ser humano sistematice sus procedimientos en la búsqueda de la verdad. Para describir de forma práctica las etapas del método científico tomaremos como ejemplo el trabajo del químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier (1743 - 1794).

La observación

El inicio de toda investigación parte en la observación.

La observación es la examinación de los fenómenos que se dan a nuestro alrededor o dentro de nosotros y que podemos percibirlos con nuestros sentidos.

En ocasiones, nuestros cinco sentidos no han sido suficientes para examinar los fenómenos, por lo cual el ser humano ha inventado aparatos para observarlos; ejemplo de ellos son los microscopios y telescopios, que aumentan el límite de la visión humana; los contadores Geiger, que miden la radiactividad; los equipos de resonancia magnética, que permiten detectar estructuras atómicas diminutas; entre otros. Al aumentar nuestra escala de percepción del universo que nos rodea, siempre se nos plantean nuevas interrogantes.

Lavoisier y la Ley de conservación de la materia

Hasta pasado medio siglo XVIII, gran parte de los estudiosos aún mantenían la idea de que el aire era un elemento. Por otro lado, existían investigadores que tras sus experimentaciones habían descubierto que no todos los vapores o emanaciones eran aire; para ellos, estos vapores eran sustancias diferentes pero con características parecidas al aire. El químico británico Joseph Priestley (1733-1804), por ejemplo, había logrado aislar el oxígeno; con base en este descubrimiento Lavoisier, formularía importantes teorías.

Lavoisier se debatía en un dilema: él había observado dos fenómenos en los que intervenía el oxígeno. Cuando los cuerpos ardían, perdían peso o desaparecían; por ejemplo cuando se quemaba un pedazo de carbón, la ceniza residual era mucho más ligera que el carbón; cuando se prendía alcohol concentrado, este desaparecía casi por completo; alguna vez quemó un pequeño diamante y este desapareció totalmente. Por otro lado, cuando sobre los metales se formaba la herrumbre, el peso de la herrumbre era mayor que el peso del metal que se herrumbraba.

Las observaciones de Lavoisier le llevaron a plantearse preguntas:

- ¿Por qué en la combustión desaparece la materia?
- ¿A dónde se va la materia al quemarse?
- ¿Por qué la herrumbre era más pesada que el metal original?
- ¿De dónde aparece la materia que se halla en exceso en la herrumbre?

La hipótesis

Después de observar, se plantean inquietudes y preguntas sobre por qué el fenómeno presenta determinadas características o manifestaciones. El investigador intenta dar una explicación. Las preguntas que ha originado el fenómeno observado son, por el momento, respondidas a través de la formulación de hipótesis.

Las hipótesis son ideas o suposiciones que tratan de explicar las causas del fenómeno observado.

La hipótesis que se plantea el investigador es siempre una suposición; la labor investigativa girará alrededor de ella para determinar si es verdadera o es falsa.

Lavoisier conocía de experimentos realizados por el químico neerlandés Jan Baptiste van Helmont (1577-1644), quien había observado que al disolver plata en ácido nítrico se formaba un aire rojo, y que el aire producido por la fermentación alcohólica no era capaz de encender el fuego. Lavoisier también se había enterado de que Priestley pudo aislar el gas que era el causante de la combustión.

Lavoisier se empezó a preguntar si sería posible que el material que se quemaba se desvanecía, porque pasaba a formar parte del aire y si eso era posible quizás la herrumbre era un proceso contrario en donde su formación se debía a que los metales tomaban parte del aire (el gas descubierto por Priestley) y lo incorporaba o transformaba en algo sólido.

«Bien», pensó Lavoisier, «supongamos que una sustancia, al arder, pierde peso porque libera un gas. ¿Qué ocurre entonces con los metales? ¿Ganan peso cuando se aherrumbran porque se combinan con un gas?» (Asimov, 2011).

Las hipótesis de Lavoisier

- Las sustancias al arder pierden peso porque liberan un gas.
- Las sustancias cuando se herrumbran ganan peso porque se combinan con un gas.

La experimentación

En las ciencias experimentales Química, Biología, Física, Astrofísica, Cosmología, Física de partículas y Cromodinámica, la experimentación consta de partes importantes:

El diseño del experimento, que permitirá dar un seguimiento sistematizado y controlado de lo que ocurre con el fenómeno observado.

La medición de las variables que presenta el fenómeno, cuyo producto es la generación de datos cuantificados que son recolectados en tablas, representados en gráficos y esquemas para luego ser analizados.

Los experimentos deben ser factibles de reproducción, para volver a ser comprobados y verificados por otras personas si es necesario, en cualquier tiempo y lugar.

Si lo que Lavoisier sospechaba era cierto, él no solo debía pesar las cenizas y la herrumbre, sino también pesar el aire que se producía en la combustión; debía confirmar que el aire tenía peso.

¿Cómo se lograba pesar algo tal ligero y que está en todas partes?

El diseño de Lavoisier fue ingeniar una serie de recipientes y aparatos sellados herméticamente. En ellos se conservaría el gas producido por la combustión, y en el caso de la herrumbre solo estaría el aire contenido en el recipiente cerrado.

Para la medición, Lavoisier pesó los recipientes con los materiales, los metales, el aire contenido o la herrumbre, todo lo que podía ir en el experimento. Pesaba todo varias veces, antes y después.

La cuantificación del fenómeno

“Estoy de acuerdo con Lord Kelvin cuando dice: ‘Cuando podemos cuantificar lo que decimos y expresarlo numéricamente, sabemos algo al respecto. Cuando no lo expresamos por medio de números, nuestro conocimiento se nos antoja insuficiente e insatisfactorio. Quizá podríamos hablar entonces de rudimentos, pero habremos avanzado muy poco hacia lo que consideramos ciencia’” (Glashow, 2000, pág. 211).

▲ Aparato diseñado para medir el peso de los gases.

Las conclusiones

Las conclusiones surgen del análisis de los datos y son cotejadas con las hipótesis. En las conclusiones se confirman o se niegan las hipótesis.

Una hipótesis es la “Idea a la que se llega después de considerar una serie de datos o circunstancias” (Real Academia Española, 2014).

Las conclusiones de un trabajo científico son analizadas en la comunidad de científicos especializados. La repetida validez de una hipótesis hace que se la acepte como una teoría, y si esta es confirmada de forma absoluta, se le otorga la calidad de ley.

Lavoisier había determinado en todos los casos que combustionó diversos materiales, que el peso del recipiente y los materiales no había cambiado, pese a si quedase algún residuo de cenizas o no; es decir, la sustancia que ardía se transformaba en gas, por eso el peso del recipiente y los residuos era igual al peso de antes de la combustión.

Lavoisier también observó que el peso del recipiente, el metal y el aire contenido era idéntico al de la herrumbre y el recipiente; aunque todo el metal se transformara en herrumbre y este ganara en peso, el recipiente hermético que contenía el producto del experimento no cambiaría de peso; es decir, el metal tomaba algún gas del aire y lo incorporaba a él para formar el polvo llamado herrumbre.

La conclusión de Lavoisier

El peso que se pierde del material que se combustiona se transforma en gas. El peso que aparece en exceso en la herrumbre corresponde al gas que se combina con el metal.

La teoría: En una reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos.

La ley: “La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

Los experimentos y mediciones de Lavoisier determinaron el inicio de la Química Moderna como una ciencia; él fue quien incorporó las mediciones en los experimentos químicos y postuló uno de sus máximos principios. Por este aporte a la ciencia, a Antoine-Laurent de Lavoisier se le otorga el reconocimiento de ser el Padre de la Química.

Modelo atómico

"Hubo un día, hace mucho, en que toda la Tierra, todo el sistema solar, toda la Vía Láctea y todas las galaxias conocidas cabían en una pepita de calabaza. No es un mito, sino la concepción científica de la creación: en el principio fue el Big Bang” (Glashow, 2000).

Luego de los 100 primeros segundos del Big Bang, la temperatura del universo descendió y fue posible la primera síntesis de un átomo.

Con la aparición del hidrógeno e inmediatamente después del helio, se inició la síntesis de átomos más complejos. Estas diminutas estructuras son los componentes básicos de todas las sustancias y su estructura es lo que vamos a conocer en esta unidad.

 Objetivos

1. O.CN.Q.5.1.
Reconocer la importancia de la Química dentro de la ciencia y su impacto en la sociedad industrial y tecnológica, para promover y fomentar el Buen Vivir, asumiendo responsabilidad social.
2. O.CN.Q.5.3.
Interpretar la estructura atómica y molecular, desarrollar configuraciones electrónicas y explicar su valor predictivo en el estudio de las propiedades químicas de los elementos y compuestos, impulsando un trabajo colaborativo, ético y honesto.

La Química y las profesiones

El químico puro

El químico puro se encarga de realizar análisis, investigaciones y estudio de los componentes que forman parte de las sustancias. Su campo de acción específico es la investigación, puesto que conoce en profundidad la estructura, leyes y procesos que controlan y rigen el comportamiento de la materia.

Las experticias que posee un químico puro le permiten coordinar las diversas actividades que se realizan en un laboratorio, asesorar a organizaciones, investigar y desarrollar nuevos materiales.

La carrera de Química pura hace de este profesional un experto en el manejo del método científico y un candidato adecuado para formar parte de programas empresariales, espaciales, ecológicos e industriales.

Las universidades que ofertan esta carrera en el Ecuador son: Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Universidad de Investigación de Tecnología Experimental Yachay, Universidad San Francisco de Quito, Universidad Central del Ecuador.

En el siguiente enlace podrás encontrar mayor información sobre la carrera de Química pura de la UCE:

www.uce.edu.ec/web/ciencias-quimicas

Modelo atómico: antecedentes

I CN.Q.5.1.3. Observar y comparar la teoría de Bohr con las teorías atómicas de Demócrito, Dalton, Thompson y Rutherford.

● Modelo atómico: antecedentes

Saberes previos

¿Podría decirse que un átomo y sus elementos tienen algo en común con el sistema solar? Justifica tu respuesta.

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo le ayudarías a explicar a Leucipo la existencia de un vacío que nadie ve, y la causa del eterno movimiento de los átomos?

Para la Química, el estudio de la materia es el fundamento de toda investigación, y conocer la estructura del átomo es el paso necesario para la comprensión del comportamiento de todas las sustancias que conocemos y que estamos por descubrir. Al igual que otras ciencias experimentales, la Química ha ido cambiando sus teorías acerca de la estructura del átomo. Con el avance de la tecnología se han logrado descubrimientos que han permitido al ser humano acercarse a un modelo atómico que dé respuesta a algunas interrogantes.

A través de la historia, las teorías atómicas han tratado de dar una explicación acerca de la estructura del átomo, unidad básica que compone la materia.

Los atomistas griegos

Hace 2 500 años Leucipo irrumpió en la sociedad griega con una propuesta filosófica acerca de la conformación de la realidad: para él todas las cosas en el universo se podían explicar a través de los átomos y su movimiento.

La palabra átomo deriva de dos palabras griegas: A: sin; Tomo: parte. Para Leucipo solo existían átomos y vacío. Todas las sustancias conocidas, incluida el alma humana estaban conformadas por átomos que se movían en el vacío, y que eran indivisibles, inalterables y eternas. La combinación entre ellos, sus choques, geometría y su posición, podían crear la diversidad de sustancias y cuerpos.

Ejes transversales

Derecho a la comunicación

Comenta con tus compañeros la importancia del Art. 16, Sección 1 de la Constitución de la República del Ecuador. (2008)

Art. 16. Todas las personas, en forma individual o colectiva, tienen derecho a:

1. Una comunicación libre, intercultural, incluyente, diversa y participativa, en todos los ámbitos de la interacción social, por cualquier medio y forma en su propia lengua y con sus propios símbolos.

Opina: ¿Cómo crees que Leucipo y Demócrito hubieran vivido este derecho en nuestro país para expresar sus ideas acerca del átomo?

Las ideas de Leucipo fueron seguidas, completadas y desarrolladas por su discípulo, el filósofo Demócrito; por esta razón a ambos se les conoce como los filósofos atomistas.

Pero no todos los griegos estaban de acuerdo con los atomistas. Para Aristóteles, la materia estaba constituida por cuatro elementos: agua, fuego, aire y tierra. Para él no existían átomos ni vacíos.

▲ Leucipo de Mileto (izquierda), Demócrito de Abdera (centro), Aristóteles (derecha).

Teoría atómica de John Dalton

▲ John Dalton (1766-1844)

Las ideas atomistas de Leucipo y Demócrito, al no tener un sustento ‘razonable’ que demostraran objetividad y relación con lo que los sentidos pueden percibir acerca de la materia, fueron dejadas de lado hasta el siglo XVIII.

Más de 2000 años después, John Dalton retomaría las ideas de los griegos, para dejar sentadas las bases que ayudarían a dar forma a la teoría atómica actual.

El científico inglés John Dalton (1766-1844) precisó y complementó la teoría de los griegos con sus numerosos experimentos de laboratorio, y así logró explicar las relaciones de masa que guardan entre sí todas las sustancias. Dalton diseñó su teoría atómica que se resume en los siguientes postulados:

A pesar del carácter experimental que Dalton añadió en el estudio de la materia, las limitaciones tecnológicas de la época no le permitieron demostrar todos sus postulados. Sin embargo y a pesar de las restricciones, los postulados de Dalton se tomaron como base para formular la teoría atómica moderna.

TIC

Ingresa en esta URL y descubre más acerca de la teoría atómica de Dalton, luego intercambia tus hallazgos con tus compañeros.

www.mayedu.ec/quim1/p19

La naturaleza eléctrica de la materia y el modelo atómico de J. J. Thomson

▲ Joseph John Thomson (1856-1940)

Los rayos catódicos

Aunque su nombre suene extraño, los rayos catódicos son muy comunes en la actual civilización, los puedes observar en las vitrinas que exponen luces de neón o en los antiguos televisores de tubo.

En el siglo XIX, el físico alemán J. Plucker descubrió que si hacía pasar una descarga eléctrica a través de un tubo de vidrio vacío con los electrodos conectados en sus extremos, se producía una radiación fluorescente que se producía en el cátodo (polo negativo), algo a lo que él denominó rayos catódicos.

Los rayos catódicos podían ser desviados cuando se hallaban en presencia de un campo eléctrico de carga negativa (–), por lo cual se dedujo que poseían carga eléctrica negativa. Pero la discusión entre los científicos no se centraba alrededor de la carga eléctrica de esta radiación, sino en relación con sí: ¿los rayos catódicos eran partículas u ondas?

- Si eran partículas, no debían dispersarse en el espacio.
- Si eran ondas, no debían modificar su trayectoria rectilínea.

Es en medio de esa discusión que Joseph John Thomson (1856-1940) un físico británico realiza sus experimentos con los rayos catódicos y expone como resultado de estos su modelo atómico.

Interdisciplinariedad

Química y televisión

Los rayos catódicos son haces de electrones provenientes del cátodo. Las antiguas TV a color poseían tres haces de rayos catódicos (rojo, verde y azul) que hacían recorridos rapidísimos por la pantalla (25 pantallas por segundo), creando la ilusión de movimiento continuo en las imágenes.

El budín de pasas

El propósito de los experimentos de Thomson era explicar la naturaleza de los rayos catódicos y sus resultados mostraron que esta radiación es producida por partículas pequeñas a las que él llamó ‘corpúsculos con carga negativa’. Así, Joseph John Thomson descubrió lo que más tarde se denominaría electrón.

Thomson fue el primero en incorporar los electrones a un modelo atómico, tratando de explicar la naturaleza eléctrica de la materia. Describía al átomo como una esfera compacta de carga positiva, en donde se localizaban uniformemente los corpúsculos negativos (electrones). El modelo atómico propuesto por Thomson fue conocido y recordado como ‘El budín de pasas’.

▲ Modelo atómico de Thomson: El budín de pasas.

Modelo de Rutherford del átomo nuclear

● Modelo de Rutherford del átomo nuclear

Saberes previos

¿Alguna vez has visto radiografías? ¿Cómo son?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué percibimos la materia como algo concreto, si la mayor parte del átomo está vacío?

▲ Ernest Rutherford

Para poder analizar una estructura tan pequeña como el átomo, se requería de objetos más pequeño que un átomo. A finales del siglo XIX, la ciencia se había embarcado en el estudio de las diversas radiaciones: alfa, beta, gama, y radiación X. El común denominador de estas radiaciones era que todas ellas podían atravesar algunos tipos de materia.

En 1909, Ernest Rutherford (Nueva Zelanda 1871-1937), un antiguo ayudante de Thomson, había estado estudiando las radiaciones alfa y beta pues suponía que estas radiaciones podían utilizarse para explicar la estructura del átomo. Para esto bombardeó diversas placas delgadas de metales con partículas . Observó que mientras la mayoría de partículas conservaba su trayectoria al atravesar las placas, una porción pequeña de ellas se desviaba. Así, intuyó acertadamente que esto se debía a la presencia de un campo eléctrico intenso en el centro del átomo.

Con base en estas observaciones, propuso un modelo atómico que constaba de un núcleo central muy pequeño con carga eléctrica positiva, el cual se hallaba rodeado de una esfera electrificada por electrones que giraban en órbitas alrededor de él, lo que hacía pensar en el modelo atómico de Rutherford, como un mini sistema solar.

Buen Vivir

Gestión de Riesgo:
NORMA INEN 2266
Clase 7. Material Radioactivo

El trébol radiactivo es el símbolo que se utiliza para indicar el peligro de radiación ionizante. En todos los sitios donde haya radiactividad se debe mostrar este símbolo.

Observa si existe esta señalización de precaución, en los lugares donde realizan Rayos X, y deduce el porqué de su uso.

Descubrimiento del protón

Luego de evidenciar que los electrones, con su carga negativa, eran parte constitutiva de la materia, era lógico pensar en la existencia de una partícula con carga eléctrica positiva, a la que Rutherford llamó protón.

Rutherford evidenció la existencia de los protones, al observar que la radiación  estaba constituía de núcleos de helio, es decir, por dos partículas con masa mucho mayor que el electrón y de carga positiva.

Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno

● Teoría de Bohr del átomo de hidrógeno

Humor

TIC

Ingresa en esta URL, busca y compara los espectros luminosos del hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno, cobre.

Contesta: ¿de qué color será
la llama del cobre?

www.mayedu.ec/quim1/p23

El modelo atómico de Rutherford, con un núcleo central, presentaba grandes ventajas y también desventajas, entre las que estaba explicar cómo los electrones que giraban alrededor del núcleo atómico conservaban un eterno movimiento, y por qué no caían hacia el núcleo debido a la atracción entre cargas eléctricas opuestas. Para muchos científicos, el sistema electrónico que presentaba este modelo atómico carecía de estabilidad y solo explicaba la estructura del átomo de hidrógeno, pero no de átomos más complejos.

El físico Niels Bohr (Dinamarca, 1885-1962), luego de realizar experimentos sobre radiactividad, se propuso explicar la “estabilidad paradójica del átomo de Rutherford”. Para esto usaría los postulados del físico alemán Max Planck (1858-1947), quien afirmaba que la materia estaba en equilibrio con la energía, por lo tanto, podía absorberla o emitirla en paquetes de energía llamados cuantos. Ejemplo de esto eran los espectros luminosos de emisión y de absorción de los elementos químicos, que se podían observar al someterlos a altas temperaturas. Estos espectros eran como una huella digital que permitía diferenciar a cada tipo de átomo.

Espectro de emisión de luz del sodio

Espectro de absorción de luz del sodio

El espectro de emisión es el complemento del espectro de absorción.

Laboratorio casero

Humedece la punta de un tenedor y pega en ella unos cristales de sal (cloruro de sodio). Lleva los cristales a la llama de la cocina y observa el color que toma la llama debido a que el sodio al calentarse emite un espectro luminoso.

▲ Niels Bohr fue galardonado en 1922, con el Premio Nobel de Física por sus trabajos sobre la estructura atómica y la radiación.

Basado en estas observaciones, Bohr plantea la idea de que los electrones poseen una energía cuantificada, exclusiva para cada órbita en donde se hallaban girando, lo que determinaba cuánta luz (fotones) era absorbida o emitida en sus espectros. Con esto, Bohr introduce el concepto de nivel de energía y el primer número cuántico "n".

Las reacciones químicas y sus ecuaciones: masa atómica

● Las reacciones químicas y sus ecuaciones: masa atómica

▲ Los isótopos. Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como isótopos. Estos se distinguen escribiendo el número de masa junto al nombre o símbolo del elemento.

En este caso se representan los tres isótopos del carbono.

Luego de Rutherford y de Bohr, en el ambiente científico se admitía que el átomo estaba constituido por un núcleo y una nube electrónica. Además, se sabía que el átomo era eléctricamente neutro, es decir, el número de protones (cargas positivas) era igual al número de electrones (cargas negativas). A la cantidad de protones o electrones que presentaba un átomo determinado, los científicos la denominaron número atómico (Z). La masa de un protón era igual a la masa de un núcleo de hidrógeno, y la masa de un electrón era despreciable en comparación con la masa de un protón.

Posteriores estudios del núcleo atómico pusieron de manifiesto algunas inquietudes:

- La masa medida del núcleo de los átomos no coincidía con la masa de los protones correspondientes al número atómico: existía un exceso de masa.
- Existían átomos de los mismos elementos que podían presentar núcleos con diferente masa: los isótopos.

Fue el físico inglés James Chadwick (1891-1974), en 1932, quien luego de bombardear boro con radiaciones alfa, pudo identificar que del núcleo atómico se desprendía un tipo de partículas de masa semejante a la del protón y que poseían carga neutra: él las denominó neutrones. Las partículas fundamentales que conforman la estructura del átomo se resumen en el siguiente cuadro:

Interdisciplinariedad

Química y Medicina

El yodo radioactivo es un tratamiento de medicina nuclear contra el cáncer de tiroides. Al tragar una dosis de yodo I-131 radiactivo (isótopo del yodo que emite radiación), es absorbido hacia la sangre y llega a la glándula tiroides, donde destruye las células malignas.

Partícula | Localización | Símbolo | Carga eléctrica | Masa
Gramos | Da
Electrón Protón Neutrón | Envoltura Núcleo Núcleo | e^– p ^+ n ^ ± | Negativa Positiva Neutra | 9,11 x 10^–28 1,673 x 10^–24 1,675 x 10^–24 | 1/1 840 1 1

Por lo tanto, quedó claro que el núcleo atómico estaba conformado por protones y neutrones, a los cuales se los considera nucleones. La suma del número de neutrones y protones del núcleo atómico se conoce como número de masa (A).

Para poder medir una masa extremadamente pequeña de un núcleo atómico se ha tomado como referencia una doceava parte del átomo de carbono 12. Es decir una unidad de masa atómica denominada Dalton (Da) equivale a 1/12 porciones de materia de carbono 12.

Ejercicio resuelto y propuesto

- Determina el número de masa A para el elemento uranio que contiene 92 protones y 146 neutrones en el núcleo.

Solución

A = p^+ + n^± = 92 + 146 = 238

- Determina el número de masa del carbono, si cuenta con 6p^+ y 8n^±

Modelo atómico: modelo mecánico-cuántico de la materia

● Modelo atómico: modelo mecánico-cuántico de la materia (I)

Saberes previos

¿De qué está hecha la luz?

Desequilibrio cognitivo

¿Es o no un color el negro? ¿Por qué?

El artículo que Bohr escribió en 1913, explicando su modelo atómico, no fue bien recibido por la comunidad científica; el mismo Thomson difería con las ideas propuestas por Bohr: “parece necesario introducir en las leyes en cuestión una cantidad extraña a la electrodinámica clásica, es decir, la constante de Planck, o los cuantos elementales de acción como frecuentemente se llama”.

Estrategia para resolver problemas

Cuando te enfrentes a un problema de Química, debes seguir algunos pasos importantes.

Comprender el problema. Si no lo comprendes, no vas a poder resolverlo.

Para tener éxito, te recomendamos lo siguiente: Leer adecuadamente el problema y replantearlo con tus propias palabras.

La Mecánica-cuántica nació con Bohr, quien comprendió que las leyes clásicas de la Física no podían explicar de forma adecuada la estructura de un átomo nuclear, por tanto, tuvo que fusionar viejas ideas de la Mecánica de Newton con las nuevas propuestas de Planck y sus cuantos.

Aunque en principio esta mezcla de ideas expuestas por Bohr estaba incompleta y en parte errada, sirvió de base para posteriores investigaciones.

Principio de complementariedad

La explicación de los espectros luminosos y la luz se debatía entre dos teorías:

Albert Einstein (Alemania, 1879-1955) era partidario de los fotones. Luego de sus investigaciones con rayos X, concluyó que la luz cuando viaja a través de un medio, se comporta como ondas ocupando todo el espacio, y cuando lo hace en el espacio vacío, o choca contra un cuerpo se comporta como partícula. Bohr llamo a esta propiedad onda-partícula “principio de complementariedad”. Así nace la Mecánica-cuántica, que se encarga de explicar cómo funciona el universo con objetos y espacios más pequeños que un átomo.

La dualidad del electrón

La teoría de la relatividad de Einstein manifestaba que la materia era una forma concentrada de energía que se puede calcular mediante la fórmula:

E = mc^2

E = energía              m = masa              c = velocidad de la luz

El científico Louis de Broglie (Francia, 1892-1987), luego de analizar la teoría de Einstein, propuso que si la materia es energía y si la luz era a la vez onda y partícula, el electrón, que era una partícula, podía también ser una onda. Es decir, el electrón, por poseer masa y movimiento, se comporta como un corpúsculo, pero también tiene una longitud de onda, por eso puede difractarse, es decir aparecer en varias regiones del espacio al mismo tiempo.

Broglie extendió esta propiedad de onda-partícula a todas las partículas subatómicas, y proporcionó la ecuación con la cual se puede medir su longitud de onda.

Humor

Principio de Incertidumbre

En 1926, el físico alemán Werner Heisenberg (1901-1976) sostuvo que la doble naturaleza de la materia, limita determinar con exactitud y de forma simultánea la posición y energía de un electrón en un instante específico. Únicamente se puede considerar la probabilidad de encontrar el electrón en cierta región del espacio que rodea al núcleo. Por consiguiente, no es apropiado imaginar a los electrones en movimiento en órbitas definidas como pensaba Bohr.

Los orbitales son regiones de espacio alrededor de un núcleo atómico donde hay mayor probabilidad de encontrar un electrón. El electrón ocupa todo ese espacio en el mismo momento.

Laboratorio casero

En una habitación a oscuras, permite ingresar un rayo de luz de una linterna a través dos orificios, (uno grande y otro muy pequeño) hacia la pared. Observa cómo la luz se comporta como partícula en el primer caso y como onda en el segundo.

Los números cuánticos

Para los científicos estaba claro que la dualidad onda-partícula del electrón mostraba que no se hallaban girando alrededor del núcleo en órbitas planas, sino que vibraban en espacios tridimensionales 3D, a los que se les dio el nombre de orbitales.

Erwin Schrödinger (Austria, 1887-1961) se propuso encontrar la manera de relacionar la energía que tienen el electrón, como partícula con masa, con la onda que describe en su orbital, y para esto incorporó un descriptor matemático o función de onda Ψ (psi) en una ecuación que describe el comportamiento energético de las partículas subatómicas.

Ψ (psi) = descriptor matemático de comportamiento dual, orbital

Ψ ^2 = zona con mayor probabilidad de encontrar un electrón

Para describir la función de onda Ψ, solo se utilizan variables que usan números enteros. Estas variables se denominan números cuánticos y ellos nos permiten describir la forma tridimensional de los orbitales y su estado energético.

Schrödinger propuso tres números cuánticos: número cuántico principal, (n), angular (l) y número cuántico magnético (m_l). El cuarto número cuántico de spin (m_s) fue propuesto después cuando se conoció que en cada orbital podían encontrarse 2 electrones.

▲ Ecuación de Schrödinger

Interdisciplinariedad

Química y Física
Pídele a tu maestro de Física, que te converse sobre lo que es la masa, la energía cinética y energía potencial.

Química y Matemática
π (pi) es un número irracional. ¿Recuerdas cuál es su valor?

Números cuánticos

"Número cuántico principal (n). Determine el número de niveles de energía en un átomo, puede tomar los valores 1, 2, 3, etc. Para los elementos conocidos se requieren 7 niveles energéticos. El nivel menos energético corresponde a n = 1, y el más energético a n = 7. A mayor n, el electrón tiene mayor energía y está menos atado al núcleo. El número de electrones totales en un nivel energético viene dado por la expresión 2n^2, en donde n corresponde al nivel de energía.

Número cuántico secundario o azimutal (l). Determine los subniveles de energía que tiene cada nivel. Su valor depende del número cuántico principal. Puede tomar valores desde 0 hasta n–1. A cada valor del número cuántico azimutal le corresponde una forma de orbital que se identifica con una letra minúscula s de sharp, p de principal, d de difuse, y f de fundamental.`

Número cuántico magnético (m_l). Indica la orientación del orbital en el espacio. Toma valores enteros que van desde – l hasta +l, incluyendo el 0. En general, el número de orbitales de un subnivel dado es igual a (2l + 1).

Número cuántico de spin (m_s). Indica la orientación magnética del electrón generando un campo electromagnético. Este número toma los valores de ½ y –½ y se representan con una flecha hacia arriba y otra hacia abajo."

Ejercicios resueltos

Utilizando la información contenida en la tabla 1, de la página 177, realiza lo siguiente:

• Indica el número de subniveles cuando n = 3.

Solución

a) Cuando n = 3, l toma valores desde 0 hasta n – 1; es decir l = 0, 1 y 2. Entonces hay tres subniveles.

b) Hay un orbital 3s.

Hay tres orbitales 3p.

Hay cinco orbitales 3d.

▲ El spin, orientación magnética del electrón.

Modelo atómico: modelo mecánico-cuántico de la materia

● Modelo atómico: modelo mecánico-cuántico de la materia

Saberes previos

Dependiendo de cuántos electrones existen en el nivel más externo de un átomo, es posible determinar qué compuestos se pueden formar? ¿Por qué se da esta relación?

Desequilibrio cognitivo

¿Es posible que el electrón, por ser una onda-partícula, pueda encontrarse en varios lugares al mismo tiempo?

Forma y tamaño de los orbitales

Los números cuánticos permitieron comprender la estructura tridimensional que tiene el átomo y nos mostraron la forma peculiar que adoptan los orbitales dependiendo de su función de onda Ψ (psi).

Orbitales s (l = 0). Tienen forma esférica, existe un orbital s por cada nivel de energía, y presentan un máximo de 2 e^–.

Orbitales p (l = 1). Tienen forma de una doble asa o número 8, se presentan a partir del segundo nivel energético. Los orbitales p son tres y se los nombra como p_x, p_y, p_z. Pueden contener un máximo de 6 e^– .

Orbitales d (l = 2). Tienen forma de elipsoides variadas. Se presentan a partir del tercer nivel energético (n = 3). Un subnivel d tiene 5 orbitales: d_1, d_2, d_3, d_4, d_5. Pueden contener un máximo de 10 e^–.

Orbitales ⨍. También tienen forma de lóbulo como los orbitales p y d. Se presentan a partir del cuarto nivel energético. Un nivel de energía puede contener 7 orbitales ⨍ y 14 e^– como máximo.

Estrategia para resolver problemas

Para plantear la resolución de un problema es necesario que identifiques los datos, generalmente son aquellos valores de las variables, que muchas veces están acompañados de unidades de medida.

Ejemplo: observa los datos que encontramos en esta notación de orbitales.

Datos:

- 3 es el nivel de energía, número cuántico n.
- P es el subnivel de energía, número cuántico l.
- X es la orientación del orbital en el espacio, número cuántico m_l.

Las variables aquí son los números cuánticos.

n = 3; l = 1; m_l = –1

Humor

Configuración electrónica

La configuración electrónica es la representación escrita o gráfica del orden en que se disponen los electrones en los niveles de energía que envuelven al núcleo atómico.

Para hacer una configuración electrónica correcta, se deben tomar en cuenta los siguientes principios:

Principio de Aufbauo de construcción: indica que los electrones tienden a ocupar los orbitales de energía más baja que se hallan disponibles.

- Los orbitales del nivel 7 tienen mayor energía que los orbitales de niveles anteriores:

     n7 > n6 > n5 > n4 > n3 > n1

- Los orbitales f tienen mayor energía que los otros orbitales.

     f > d > p > s

- Todos los orbitales de un mismo subnivel tienen igual energía.

     px = py = pz; d1 = d_1 = d_3 = d_4 = d_5; f_1 = f_2 = f_3 = f_4 = f_5 = f_6 = f_7

Principio de exclusión de Pauli: establece que en un átomo dos electrones no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales, es decir, cuando 2 electrones ocupen un mismo orbital, están obligados a tener spin opuesto.

- A los dos electrones que comparten un orbital se los llama electrones pareados.
- Si existe un orbital con un solo electrón, a este se lo llama no pareado.
- Los electrones no pareados son los que permiten que los átomos se unan para formar un enlace químico.

Regla de Hund: establece que cuando varios electrones ocupan orbitales energéticamente equivalentes, se distribuyen ocupando el máximo de orbitales posibles, el pareamiento de electrones sucede luego de que todos los orbitales paralelos han sido ocupados.

Para realizar la configuración electrónica:

- Escribe en orden creciente el nivel energético, el orbital, y como superíndice el número de e^–. Ejemplo: nivel 2, subnivel p, 5 e^– : 2p^5
- Sigue ordenadamente las flechas que se muestran en el diagrama de Hund.

- Toma en cuenta que debes colocar los e– siguiendo las flechas del diagrama; observa, por ejemplo, que de 3p pasas a 4s y no a 3d.

- Coloca el número de electrones de acuerdo con el número atómico Z del elemento.

Los isótopos radiactivos

● Los isótopos radiactivos

Saberes previos

¿Recuerdas qué radiaciones estudió Rutherford?

Las radiaciones alfa, beta y gama son radiaciones ionizantes.

Una de las mayores contaminantes del planeta, la más difícil de limpiar y mortífera, es la radiactividad.

En 1898 los esposos Marie y Pierre Curie descubrieron que el polonio y el radio eran capaces de ionizar un gas, impresionar placas fotográficas y producir destellos de luz en ciertas sustancias. Los átomos con núcleos atómicos inestables emiten espontáneamente diferentes tipos de radiaciones, los esposos Curie llamaron a esta propiedad radiactividad.

Todos los elementos con número atómico Z mayor a 83 poseen isótopos radiactivos y emiten radiaciones alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

Efectos de las radiaciones sobre los seres vivos

Dependiendo de su longitud de onda λ, las radiaciones tienen el poder de penetrar la materia. En el caso de los seres vivos, producen radicales libres que impiden el correcto metabolismo en los tejidos vivos, especialmente en las células que tienden a dividirse con mayor frecuencia, como las de la piel, la médula ósea, los gametos. Una persona que esté en crecimiento es afectada gravemente cuando se expone a este tipo de radiación.

▲ Los daños de la radiactividad sobre la salud dependen de la dosis que absorbe el organismo y sus efectos acumulativos.

▲ La oncología radioterápica es una técnica para aplicar rayos X o radiaciones para eliminar células cancerosas.

Los efectos que produce la radiación en un organismo dependen de la dosis absorbida por su cuerpo y el tiempo de exposición. Los daños sobre la salud son complejos, se puede producir cáncer, mutaciones genéticas, efectos en los embriones durante el embarazo y quemaduras por exposiciones excesivas. La rem (radiación equivalente en humanos) es una unidad de medida de los efectos biológicos que produce la radiación.

Ejes transversales

Trabajo y seguridad social

En el Art. 33 La Constitución de la República garantiza a los ciudadanos el derecho de tener un trabajo saludable. ¿Por qué crees tú que las personas que trabajan con material radiactivo deben jubilarse en menor tiempo que otras?

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

¿Cómo se investiga en Química?

¿Cómo se investiga en Química?

Las fuentes de investigación en el área de ciencias

Para iniciar una investigación sobre algún tema de la ciencia Química es necesario conocer qué se sabe sobre ese tema en especial, qué han descubierto o propuesto renombrados investigadores sobre dicho tema; esta información está disponible en libros, revistas, enciclopedias, sitios web. Todos estos instrumentos de difusión del conocimiento se llaman fuentes.

Confiabilidad de una fuente científica

No todas las fuentes de consulta son confiables, muchas pueden tener errores, información parcializada, conocimiento no comprobado y, en el peor de los casos, falsa información.

La mejor forma de asegurarte de que usas una fuente confiable de conocimiento es saber si esta publicación está respaldada por universidades de prestigio, sociedades científicas, instituciones estatales como los ministerios y secretarías. También son fuentes seguras de investigación todas aquellas publicaciones que transmiten conocimiento y datos científicos a partir de otras fuentes confiables e indican adecuadamente la procedencia de la información.

En los siguientes enlaces puedes acceder a los repositorios bibliotecarios de algunas universidades:

- Universidad Central del Ecuador www.dspace.uce.edu.ec
- Escuela Politécnica Nacional www.bibdigital.epn.edu.ec
- Universidad de San Francisco de Quito www.repositorio.usfq.edu.ec
- Universidad de la República de Uruguay: Facultad de Química www.riquim.fq.edu.uy
- Universidad de Guayaquil www.repositorio.ug.edu.ec
- Universidad de Valencia: Facultad de Farmacia www.uv.es/uvweb/servei-biblioteques-documentacio/ca/biblioteca-farmacia/novetats-1285874703220.html

Organismos e instituciones que realizan publicaciones científicas

Universidades

- Libros
- Tesis
- Monografías
- Artículos científicos
- Páginas web
- Revistas
- Periódicos científicos

Ministerios, secretarías e instiuciones estatales

- Informes escritos de investigaciones
- Resultados de censos
- Libros
- Páginas web

Sociedades y organismos científicos

- Libros
- Informes escritos de investigación
- Revistas
- Periódicos científicos
- Artículos

Para que la publicación de un conocimiento o el resultado de una investigación sean considerados científicamente aceptables, deben tener la categoría de publicación indexada, es decir, estar en el índice de material bibliográfico de una de las instituciones que nombramos anteriormente, haber sido leída y en general aceptada por otros científicos especializados y ser citada en otras publicaciones, a lo que se denomina factor de impacto.

Laboratorio 1

Laboratorio 1

Tema: Espectros
luminosos

Datos informativos

Institución educativa: ______________________________________________

Nombre del estudiante: ____________________________________________

Curso y paralelo: _______________________  Fecha: ____________________

Objetivos

1. Familiarizar al estudiante con el manejo del mechero de Bunsen.
2. Comprobar que a cada elemento le corresponde un espectro luminoso diferente debido su configuración electrónica específica.
3. Analizar la variación del color de la llama del mechero de bunsen cuando se calientan sales de diversos metales.

Procedimiento

Primera parte:

1. Desarma y arma el mechero de Bunsen siguiendo las indicaciones de tu maestro.
2. Conecta el mechero a una fuente de gas.
3. Enciende el mechero y comprueba el paso de oxígeno; ensaya cambiando la llama celeste por la amarilla. En esta práctica utilizaremos la llama celeste.

Segunda parte:

1. Realiza soluciones salinas, es decir, disuelve un poco de sal en el agua destilada, usa un vidrio reloj y un alambre por cada sal.
2. Utilizando un alambre distinto para cada solución, toma una gota de las muestras y acércala al mechero.
3. Mantén el arco del alambre con la gota en la llama del mechero por algunos segundos.
4. Observa el color que toma la llama, anota tus observaciones.
5. Repite el proceso con las otras soluciones salinas.
6. Al finalizar las observaciones, lava todos los residuos de sales que hayan caído en el mechero.

Reactivos

- Cloruro de litio
- Cloruro de sodio
- Cloruro de potasio
- Cloruro de cobre (II)
- Cloruro de bario
- Cloruro de estroncio
- Cloruro de magnesio

Materiales

- Agua destilada
- Alambre metálico con un arco (puedes utilizar un clip)
- Mechero de Bunsen
- Vidrio reloj

Seguridad y recomendaciones

1. Utiliza el mandil con los botones abrochados y no recojas tus mangas
2. Todos los reactivos químicos requieren un manejo adecuado: evita poner las soluciones en contacto con la piel.
3. No te sientes en los mesones del laboratorio ni coloques mochilas ni alimentos sobre estos.
4. Ten prendido el fósforo antes de abrir el tornillo de paso de gas del mechero.
5. Disfruta de lo que vas a observar, comparte con tus amigos y recuerda por qué se da este fenómeno. Haz más preguntas al maestro acerca de los espectros luminosos.
6. Sé proactivo y ordenado en tu práctica.
7. Verifica que las conexiones de gas que existen en el laboratorio queden cerradas.

Gráfico

Observaciones:

Escribe las partes que conforman el mechero de Bunsen.

Resultado de las observaciones

Sal | Color de la llama
Cloruro de litio |
Cloruro de sodio |
Cloruro de potasio |
Cloruro de cobre |
Cloruro de bario |
Cloruro de estroncio |
Cloruro de magnesio |

Conclusiones

Proyecto de emprendimiento

Proyecto de emprendimiento ^

Tema: Proyector de constelación

Justificación

Si observamos toda la cadena de oferta que existe en el mercado, comprobaremos que cada producto viene con un envase que solo sirve de envoltura. Una de las maneras en la que podemos disminuir la producción de desechos es con el reciclaje o reutilización de estos, este proyecto pretende contribuir a satisfacer la necesidad de conocimiento que tienen los estudiantes por saber algo más de las estrellas y las constelaciones, y disminuir la producción de desechos mediante el reciclaje.

Objetivos

1. Producir proyectores de constelaciones con material de desecho.
2. Contribuir en la disminución de la contaminación ambiental reciclando material de desecho.
3. Apoyar la curiosidad de conocimiento sobre estrellas y constelaciones en los alumnos.

Actividades y recursos

Materiales

- Latas de gaseosas, conservas, cerveza
- Lámpara led de pilas
- Pintura de caucho y brocha
- Aguja gruesa o punzón delgado
- Tapas de conservas para usar de base
- Esquemas de constelaciones

Producción

- Pintar las latas.
- Con el punzón, hacer hoyos en un lado inferior de las latas siguiendo la estructura de las constelaciones. Para esto se hará un hoyo pequeño por cada estrella.
- En el lado contrario de la lata se hará un orificio del tamaño de la lámpara led.
- Todo este aparataje se pegará sobre una lata de conserva que servirá de base.

Comercialización

- Definir lugar y fecha de exhibiciones y demostración.
- Realizar invitaciones, pueden usar las redes sociales.
- Adecuar el cuarto oscuro.
- Atender a los invitados y comentar la importancia de este proyecto y su producto.
- Vender.

Conclusiones:

- ¿Qué aprendiste del trabajo en equipo?
- ¿Cómo pueden mejorar su estrategia de ventas?
- ¿Qué más se podría hacer para garantizar la calidad de su producto?

Evaluación del proyecto | Sí | No | En parte
Se utilizó material recolectado de desechos. |  |  |
Se fabricaron proyectores de buena calidad. |  |  |
Se comercializó el producto en la población esperada (niños y niñas). |  |  |

Autoevaluación | Sí | No | En parte
Escuchaste las sugerencias de tu maestro y compañeros. |  |  |
Tuviste una comunicación adecuada, cálida y oportuna con las personas. |  |  |
Te esforzaste porque todas las actividades del proyecto se cumplieran a tiempo y con los mejores resultados. |  |  |

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Tecnologías de la Información y la Comunicación

Crear un átomo

La estructura de los átomos determinan las características químicas de los distintos elementos químicos. Pero no todos los átomos y sus isótopos son estables. ¿Quieres intentar crear uno y ver qué sucede?

1. Ingresa a: http://phet.colorado.edu/en/simulation/build-an-atom
2. Elige "Símbolo" para empezar.

1. Selecciona “Mostrar estable/inestable” en la sección mostrar, debajo del símbolo del elemento.

1. Empieza a diseñar tu átomo e intenta que sea neutro eléctricamente y estable.

Tarea:

1. ¿Qué partícula determina el tipo de elemento químico?
2. ¿Qué sucede cuando un átomo tiene más o menos electrones que protones?
3. ¿Qué elemento químico es estable sin neutrones?
4. ¿Es estable un átomo con menos neutrones que protones? ¿y con más?
5. ¿Qué átomos eléctricamente neutros tienen completos el primer y segundo orbital?

Puedes practicar eligiendo la opción "Juego" para practicar en 4 diferentes actividades.