1 EL ÁTOMO Antecedentes históricos Lo que vemos a nuestro

Iván Carmona Flores
Prof. Química y Cs.
EL ÁTOMO
Antecedentes históricos
Lo que vemos a nuestro alrededor son materiales: el plástico, el cobre del
cable eléctrico, el agua que bebemos o el azúcar del café. La palabra
“materia” proviene del latín mater, que significa “madre”. Los filósofos y
científicos de la antigüedad pensaban que la materia era una sola y que
cambiaba su apariencia para constituir las diferentes cosas. Más tarde, en
el siglo VI antes de Cristo, los filósofos griegos creían en la teoría de los
cuatro elementos (tierra, agua, aire y fuego) que se unen o separan en
presencia de fuerzas de atracción o repulsión. La idea precursora de la
teorías modernas llegó en el siglo IV antes de Cristo, cuando Leucipo y su
discípulo Demócrito sostuvieron que la materia era la acumulación de
partículas pequeñas llamadas átomos.
Demócrito pensó que al dividir infinitamente un trozo de materia se
llegaría finalmente a una partícula diminuta que no se podría dividir más,
pero que conservaría las propiedades de la materia original. Demócrito uso
Demócrito
la palabra átomo, que en griego significa que no puede dividirse, para
describir lo que creyó era la partícula final e indivisible de materia.
Demócrito pensaba que las propiedades de la materia que podemos
percibir se explican por las propiedades y el comportamiento de los
átomos, los que no podemos advertir directamente. El tiempo ha
demostrado que esta hipótesis es correcta.
Las ideas de Demócrito nos ayudan a comprender que los materiales están
constituidos por átomos. Un átomo es la partícula más pequeña de un
elemento que conserva las propiedades químicas de este. Un elemento es
materia que está constituida por átomos de un solo tipo; cobre, oro, plata,
Leucipo
hidrógeno, son ejemplos de elementos químicos. Todas las sustancias
químicas que conocemos y todas las cosas que nos rodean están hechas de alguno de los
elementos químicos. Algunos elementos se encuentran con mayor frecuencia que otros; por
ejemplo en la corteza terrestre el 74% de la materia está constituida por oxígeno (O) y silicio (Si),
mientras que en la atmosfera se tiene casi un 99% de materia constituida por nitrógeno (N) y
oxígeno. En contraste, el cuerpo humano está constituido en un 93% por compuesto que
contienen carbono (C) y oxígeno.
El conocimiento del átomo y el estudio científico de su estructura comienza a fines del siglo XIX,
época en que los científicos elaboraron diferentes modelos de estructura atómica. Cada modelo,
un poco más perfeccionado que el anterior, permitía dar explicación de las observaciones
experimentales más recientes.
La teoría atómica de Dalton
En 1803, el químico inglés John Dalton explicó algunos fenómenos,
retomando la idea de Demócrito de que la materia estaba compuesta por
partículas llamadas átomos. Es importante destacar que Dalton no intento
describir la estructura de los átomos; sin embargo, se dio cuenta de que las
diferencias en las propiedades de distintos elementos podían explicarse,
solamente suponiendo que los átomos de un elemento son diferentes a los
átomos de todos los demás elementos. En otras palabras, la teoría de
John Dalton
Dalton no entrega información acerca de la estructura atómica, pero
explica la química de elementos y compuestos, a partir de la existencia de los átomos como
partículas básicas para construcción de estructuras más complejas llamadas moléculas.
Al considerar a los átomos como constituyentes de todos los materiales, Dalton estableció las
bases de la química moderna. Las hipótesis fundamentales de a teoría de Dalton son:
1. Siguiendo a Demócrito, Dalton aceptó la idea de que los elementos están formados por
partículas extremadamente pequeñas e indivisibles, llamadas átomos. Todos los átomos
de un mismo elemento son idénticos (tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas),
mientras que los átomos de cada elemento son diferentes de los átomos de todos los
demás elementos.
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2. Los compuestos están formados por átomos con más de un elemento. En cualquier
compuesto, la relación del número de átomos entre dos elementos presentes, siempre es
un número entero.
3. Una reacción química se puede entender como la separación, combinación o
reordenamiento de los átomos presentes. En una reacción química nunca se crean o
destruyen átomos: la materia no se crea, solo se transforma.
Las tres hipótesis fundamentales de Dalton tienen implicancias muy interesantes. Por ejemplo, la
primera hipótesis sostiene que los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos
los demás elementos. Esto permite caracterizar a los diferentes elementos en términos de
propiedades individuales especificas que les otorgan una identidad precisa, condición necesaria
para formular un ordenamiento o clasificación de los elemento químicos.
La segunda hipótesis dice que para formar un compuesto se requiere que los átomos de los
elementos adecuados se combinen en proporciones definidas. Es decir, muestras diferentes de un
mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción en masa.
Por ejemplo, sabemos que el agua es un compuesto formado por dos átomos de hidrogeno y un
átomo de oxígeno (H2O); esta proporción es siempre la misma, independientemente del lugar de
donde provenga la muestra de agua (río, lago, mar, montaña, etc.). Esta idea es una extensión de
la ley de las proporciones definidas enunciada por el químico francés Joseph Proust, en 1799.
Además la segunda hipótesis de Dalton conforma la ley de las proporciones múltiples, que
establece que diferentes compuestos formados por los mismos elementos difieren en el número
de átomos de cada clase. Por ejemplo, hidrógeno y oxígeno pueden combinarse para formar agua
(H2O), pero también pueden formar agua oxigenada (H2O2); los mismos elementos (hidrógeno y
oxígeno) pueden formar más de un compuesto. En este caso la proporción de oxígeno en H2O y en
H2O2 es 1:2 (en el agua hay una átomo de oxígeno, mientras que en el agua oxigenada hay dos;
esta proporción se lee “uno es a dos”).
La tercera hipótesis de Dalton, respecto de que en una reacción química no se crean ni se
destruyen átomos, es otra forma de enunciar la ley de conservación de la masa, enunciada por el
científico francés Antoine Lavoisier en el siglo XVIII, que establece que la materia no se crea ni se
destruye, solo se transforma.
Antecedentes experimentales
En los comienzos del siglo XX, los científicos tenían evidencias que mostraban la existencia de
partículas subatómicas, es decir, partículas que constituyen el átomo. También se tenía una gran
cantidad de experimentos cuyos resultados no podían explicarse con las teorías aceptadas en la
época. Era el inicio de la revolución científica, que llevaría más tarde a la formulación de la
mecánica cuántica, teoría que permitió explicar el comportamiento de la materia a nivel atómico
y de su interacción con la radiación.
A partir de la teoría atómica de Dalton, se puede definir el átomo como la unidad básica de un
elemento que puede intervenir en una combinación química. Originalmente se pensaba que el
átomo era indivisible; sin embargo, estudios sobre la interacción radiación – materia permitieron
obtener importante información acerca de la estructura de la materia, y demostrar que los
átomos tienen una estructura interna, es decir, están formados por partículas aun más pequeñas,
denominadas partículas subatómicas. En particular, el descubrimiento de una partícula por el
científico inglés Joseph John Thomson, marcó una etapa crucial en la caracterización de la
estructura atómica. Más adelante, Robert A. Millikan determino que la masa del electrón era me=
9.10 x 10-31 kg, es decir, un valor extremadamente pequeño, imperceptible para nuestros
sentidos.
Modelo atómico de Thomson
Sabiendo que los átomos contienen electrones y que además son
eléctricamente neutros, Thomson pensó que para que un átomo fuera
neutro debe contener el mismo número de cargas positivas que negativas.
Por lo tanto, la electroneutralidad de los átomos implica la existencia de
partículas subatómicas de carga positiva que pudiesen neutralizar la carga
de los electrones. Basado en esta observación, Thomson propuso que un
átomo podía caracterizarse como una esfera de materia con carga positiva,
dentro de la cual, se encontraban incrustados los electrones, como si
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J. J. Thompon
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fueran las pasas de un pastel. Este modelo atómico simple fue aceptado como una teoría por
algunos años.
Rayos Catódicos (1890)
En el esquema se puede observar de
manera simplificada un tubo de rayos
catódicos, el cual está prácticamente
vacío, ya que contiene un gas a muy
baja presión. A través de este tubo se
hace circular una corriente eléctrica de
muy alto voltaje. La placa con carga
negativa, llamada cátodo, emite un
rayo invisible. Este rayo catódico se
dirige hacia la placa con carga positiva
llamada ánodo, el cual atraviesa una
perforación y continúa su trayectoria
hasta el otro extremo del tubo, donde
se produce una fuerte fluorescencia o luz brillante.
Thomson descubrió que esos rayos estaban formados por partículas que tienen carga eléctrica
negativa, ya que, eran atraídos por la placa positiva y repelidos por la placa de carga negativa.
Tales partículas fueron denominadas electrones. Como los rayos de electrones eran iguales, sin
importar el tipo de gas que había en el tubo, se dedujo que estas partículas deberían de ser
componentes de todos los tipos de átomos. Como los rayos catódicos son invisibles, el color verde
que puedes observar en la fotografía inferior se debe a la fluorescencia que produce el compuesto
químico (sulfuro de Zinc ) que recubre el tubo.
Modelo atómico de Rutherford
Más adelante, en 1910, el físico neozelandés Ernest Rutherford sugirió que
las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un
conglomerado central dentro del átomo, mientras que los electrones se
encontraban fuera de este centro atómico. Este conglomerado de
partículas de carga positiva se llamo núcleo, y las partículas del núcleo que
tienen carga positiva fueron llamadas protones. En otros experimentos se
determino que los protones tienen la misma cantidad de carga que los
electrones, solo que positiva. Además, se determino que su masa era mp=
1.673 x 10-27 kg, lo que corresponde a 1840 veces las masa del electrón.
En esos años se tenía la evidencia de electrones y protones y además se
E. Rutherford
aceptaba la idea del núcleo atómico. También se conocían las masas de
cada una de estas partículas y, por lo tanto, se podían caracterizar las masas atómicas. Era un
trabajo importante de clasificación y caracterización de los elementos químicos conocidos. Debido
a que el protón es más de 1800 veces más pesado que el electrón, era lógico pensar que la masa
atómica estaba fundamentalmente definida por la masa de los protones. Sin embargo, pronto se
encontró el siguiente problema. Se sabía que el átomo más sencillo, el hidrógeno (H), contenía un
solo protón y que el átomo de helio (He) contenía dos protones. Por lo tanto, el helio debería ser
dos veces más pesado que el hidrógeno (recuerda que la masa de los electrones es despreciable
frente a la masa de los protones). Sin embargo, se encontró experimentalmente que el helio es
cuatro veces más pesado que el hidrógeno. Esta observación y otras similares llevaron a proponer
la existencia de otro tipo de partículas subatómicas en el núcleo.
Experimento de Rutherford
De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los
átomos debe ser espacio vacío. Esto se explicaba
por la mayoría de las partículas (iones de helio
con carga positiva (+2) ) atravesaron la placa de oro
con muy poca o ninguna desviación, es decir, no se
producen choques que les desvíen de su
trayectoria.
Cuando una partícula pasa cerca del núcleo, actúa
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sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que origina una desviación. Más aún, cuando una
partícula incide directamente sobre el núcleo, experimenta una repulsión tan grande que se
invierte completamente su trayectoria.
Rutherford sugirió que las cargas positivas estaban concentradas en un conglomerado central
dentro del átomo, mientras que los electrones se encontraban fuera de este centro atómico.
Como el núcleo de hidrógeno es el más pequeño y más sencillo, Rutherford le puso un nombre:
protón, que significa primero. El protón es la partícula positiva que balancea la carga del electrón.
Forma en que la partículas a pasaban o bien chocaban con los átomos de la placa de oro.
En 1932, el científico inglés James Chadwick demostró la existencia de partículas nucleares
eléctricamente neutras, con una masa ligeramente mayor que la de los protones; esta partícula
fue llamada neutrón. El misterio de la relación de las masas de helio e hidrogeno podía explicarse
así: en el núcleo de helio hay dos protones y dos neutrones, en tanto que en el núcleo de
hidrógeno hay solo un protón, por lo tanto, la relación de masa es de 4:1. Así se llegaba a la
conclusión de que un átomo está constituido por un núcleo que contiene protones y neutrones, y
de estas partículas se resumen en la siguiente tabla:
PARTÍCULA
Electrón
Protón
Neutrón
MASA (kg)
9.1095 x 10-31
1.6725 x 10-27
1.6750 x 10-27
CARGA (c)
- 1.6022 x 10-19
+ 1.6022 x 10-19
0
CARGA UNITARIA
-1
+1
0
El número total de partículas que constituyen el átomo define la identidad del elemento químico:
los átomos de los distintos elementos se diferencian por el número de protones, neutrones y
electrones que posean, y sus propiedades dependen de este número. Ya se vio que el átomo de
helio es más pesado que el hidrógeno, porque su núcleo contiene más partículas. Comparemos
ahora el hidrógeno con el oxígeno. El átomo de hidrógeno tiene un protón y un electrón, mientras
que el átomo de oxígeno (O) está constituido por ocho protones, ocho neutrones y ocho
electrones. Nuevamente esta es la razón por la cual el hidrógeno es diferente al oxígeno: ambos
átomos tienen diferente masa (el oxígeno es más pesado porque tiene más partículas) y
obviamente presentan distintas propiedades electrónicas.
Modelo atómico de Bohr
Con el conocimiento de la existencia de las partículas que constituyen el
átomo, se planteo el problema de la forma en cómo estas se ordenan y las
fuerzas de interacción entre el núcleo y los electrones. Primero
consideraba al átomo como una unidad en la que los electrones giraban a
gran velocidad alrededor del núcleo en órbitas circulares, semejándose al
movimiento de los planetas alrededor del Sol. Se suponía que la atracción
electrostática entre el núcleo positivo y los electrones negativos, junto con
el movimiento circular de los electrones, establecía un equilibrio de fuerzas
que mantenía la cohesión del átomo.
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N. Bohr
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El modelo de Bohr adoptaba la idea de electrones
moviéndose en órbitas, pero imponía restricciones
fuertes. Bohr estableció que los electrones pueden
moverse sólo en ciertas orbitas, a cada una de las
cuales se le asocia una energía en particular. Para pasar
de una órbita a otra, el átomo debe de absorber o
emitir energía. De este modo se establece que la
energía esa cuantizada, es decir, a nivel electrónico la
energía no es una variable continua, como lo son en el
mundo macroscópico las formas de energía conocidas.
En este caso, los electrones ocupan regiones del
espacio asociadas a estos niveles energéticos cuánticos. Bohr demostró que las energías que
puede tener el electrón del átomo de hidrógeno, están dadas por:
Donde RH es una constante llamada Rydberg (RH = 2.18 x 10-18 J) y n es el número cuántico
principal que adopta valores enteros (n= 1, 2, 3 …).
De esta forma se establece que la energía del átomo de hidrogeno está cuantizada y se definen
niveles energéticos discretos.
Por ejemplo, la energía del estado n=1 es E1 = - RH ; la energía del estado n=2 es E2 = - RH/4; la
energía del estado n=3 es E3 = - RH/9.
La energía de un electrón
La energía de un electrón es de la misma magnitud (está en el mismo rango) que la energía de la
luz.
La energía de un electrón depende de su posición respecto del núcleo, del átomo. Mientras más
alejado se encuentre el electrón del núcleo, mayor será su energía.
La energía del electrón esta cuantizada. ¿Qué significa esto? Una propiedad esta cuantizada si se
dispone de ella en cantidades específicas. Por ejemplo, la bebida que sacamos de un surtidor
manual, podemos dosificarla desde la llave de paso y así obtener la cantidad deseada (muy poco,
poco, mucho). No hay restricción respecto del volumen accesible.
También se puede comprar bebida en lata, que contiene un volumen específico. En este caso se
pueden comprar una, dos, tres… latas de bebida, y por lo tanto, el volumen de bebida al cual
puede acceder esta cuantizado en términos del número de latas.
En el primer caso entonces el volumen es una variable continua, es una variable discreta o
cuantizada.
Niveles energéticos
Los niveles de energía en un átomo son similares a los peldaños de una escalera, pero aquellos se
van acercando entre ellos a medida que tienden a alejarse del núcleo.
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