Evolución de los Modelos Atómicos y Estructura de la Materia
La comprensión de la materia ha evolucionado significativamente a lo largo de la historia. Desde las primeras ideas filosóficas hasta los complejos modelos cuánticos, el concepto de átomo ha sido central en la química y la física. Este documento explora los modelos atómicos clave, la composición de las partículas subatómicas y cómo los átomos se organizan para formar la diversidad de sustancias que nos rodean.
Teoría Atómica de Dalton
La aplicación del método científico al estudio de la materia comenzó en el siglo XVII con el comportamiento de los gases, seguido por el estudio de los cambios químicos, lo que permitió establecer leyes cuantitativas. En 1800, John Dalton rescató el concepto de átomo y lo formuló en los siguientes postulados:
- Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
- Los átomos de un mismo elemento son idénticos en su masa y propiedades; los átomos de elementos diferentes poseen masa y propiedades distintas.
- Los átomos de los elementos se combinan para formar compuestos en proporciones dadas por números enteros sencillos.
Partículas Subatómicas y sus Propiedades
A pesar de la idea inicial de Dalton sobre la indivisibilidad del átomo, descubrimientos posteriores revelaron que este está compuesto por partículas aún más pequeñas:
- Los electrones (e⁻) son partículas de masa muy pequeña en comparación con la de un protón o un neutrón, y poseen carga negativa.
- Los protones (p⁺) son partículas cuya masa es aproximadamente 1840 veces mayor que la de un electrón y tienen carga eléctrica positiva, del mismo valor que un electrón.
- Los neutrones (n⁰) son partículas cuya masa es muy similar a la de un protón, pero no tienen carga eléctrica; son neutros.
Masa y Carga de las Partículas Subatómicas
A continuación, se detallan las masas y cargas aproximadas de estas partículas:
- Masa (kg):
- Electrón (e⁻): 9,110 × 10⁻³¹ kg
- Protón (p⁺): 1,673 × 10⁻²⁷ kg
- Neutrón (n⁰): 1,675 × 10⁻²⁷ kg
- Carga (C):
- Electrón (e⁻): -1,602 × 10⁻¹⁹ C
- Protón (p⁺): +1,602 × 10⁻¹⁹ C
- Neutrón (n⁰): 0 C
Modelos Atómicos Posteriores
Modelo Atómico de Thomson
J.J. Thomson imaginó que el átomo es una esfera compacta, maciza, de carga positiva, en la cual se encuentran incrustados los electrones, de carga negativa. El conjunto es neutro, al compensarse mutuamente las cargas de signo contrario (conocido como el «modelo del pudín de pasas»).
Modelo Atómico de Rutherford
En 1911, Ernest Rutherford bombardeó una delgada lámina de oro con partículas alfa. Observó que la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse, mientras que unas pocas eran dispersadas e incluso rebotadas. Dedujo de este experimento que los átomos están prácticamente vacíos y que la carga positiva se concentra en una zona reducida, a la que llamó núcleo, mientras que los electrones se sitúan en la periferia, girando alrededor de este.
Modelo Atómico de Bohr
El modelo de Niels Bohr, propuesto en 1913, refinó el modelo de Rutherford incorporando ideas de la mecánica cuántica. Sus postulados principales son:
- El átomo consta de un núcleo positivo y una corteza negativa situada a gran distancia de él.
- En el núcleo del átomo se localizan los protones y neutrones, unidos mediante poderosas fuerzas de atracción que impiden la repulsión entre ellos.
- En la corteza se hallan los electrones, en un número igual al de protones (en un átomo neutro), girando a una velocidad próxima a la de la luz, en torno al núcleo, atraídos por fuerzas eléctricas debido a su carga negativa.
- Los electrones se disponen en capas concéntricas, a distintas distancias del núcleo. Esas capas tienen mayor energía cuanto más lejos del núcleo se encuentran y se van ocupando por orden de proximidad a él. Los electrones pueden pasar de unas a otras emitiendo o absorbiendo energía (cuantos de energía).
Conceptos Fundamentales del Átomo
Masa Atómica (u)
La masa atómica (u) equivale a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, que tiene 6 protones y 6 neutrones (la masa de los electrones es despreciable en este cálculo). Representa la masa promedio de los átomos de un elemento, considerando la abundancia de sus isótopos.
Número Atómico (Z)
El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo. Todos los átomos del mismo elemento químico tienen el mismo número de protones y, por ende, el mismo número atómico. Si el átomo es neutro, el número de protones y electrones es el mismo.
Número Másico (A)
El número másico (A) es el número total de partículas que hay en el núcleo del átomo, es decir, la suma de protones y neutrones que tiene un átomo. El número de neutrones se calcula como A – Z.
Configuración Electrónica
La configuración electrónica de un átomo es la distribución de sus electrones en las diferentes capas (o niveles de energía) que forman su corteza. Ejemplos de capacidad máxima de electrones por capa principal:
- Capa K (n=1): 2 electrones
- Capa L (n=2): 8 electrones
- Capa M (n=3): 18 electrones
Isótopos
Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen distinta masa; por lo tanto, se trata de átomos con el mismo número atómico (mismo número de protones) y diferente número másico. Se distinguen por el número de neutrones.
Agrupaciones de Átomos y Enlaces Químicos
Los átomos rara vez se encuentran aislados en la naturaleza; se agrupan formando combinaciones más estables que estos por separado. Las uniones entre los átomos se denominan enlaces químicos.
Ion
Un ion es un átomo o una agrupación de átomos que tienen carga eléctrica neta distinta de cero. Si la carga es positiva, se le da el nombre de catión; si la carga es negativa, se llama anión.
Propiedades de las Sustancias Iónicas
Las sustancias iónicas, formadas por iones, presentan características distintivas:
- Son sólidos cristalinos.
- Son frágiles.
- Tienen elevados puntos de fusión y ebullición.
- Son solubles en agua (en muchos casos).
Molécula
Una molécula es una agrupación neutra de átomos con entidad propia, unidos por enlaces covalentes.
Propiedades de las Sustancias Covalentes
Las sustancias covalentes, compuestas por moléculas, exhiben las siguientes propiedades:
- Se presentan en los tres estados de agregación (sólido, líquido, gaseoso).
- Cuando son sólidos, suelen ser blandos y con bajos puntos de fusión.
- Su solubilidad en agua es variable.
Propiedades de los Metales
Los metales, caracterizados por su enlace metálico, poseen propiedades únicas:
- Son sólidos cristalinos con altos puntos de fusión (excepto el mercurio).
- Se deforman sin romperse y forman hilos o láminas (ductilidad y maleabilidad).
- Son buenos conductores eléctricos y térmicos.
- Son insolubles en los disolventes habituales.
Descubrimiento de las Partículas Subatómicas
Descubrimiento del Electrón
El electrón fue descubierto en 1897 por Joseph John Thomson, gracias a sus experimentos con un tubo de rayos catódicos.
Descubrimiento del Protón
El protón fue descubierto en 1911 por Ernest Rutherford, experimentando con un tubo de rayos catódicos modificados (rayos positivos o rayos canales).
Descubrimiento del Neutrón
El neutrón fue descubierto en 1932, gracias a James Chadwick, mientras estudiaba las radiaciones emitidas por una muestra de berilio bombardeada por partículas alfa.