Imaginemos que cogemos una hoja de papel de aluminio y que la troceamos en mitades muchas veces, ¿podríamos dividirla indefinidamente en trozos más y más pequeños? ¿Seguirían siendo aluminio eses trozos?
Los filósofos de la antigua Grecia pensaron mucho sobre esto. Leucipo (450 a.C.) supuso que después de muchas divisiones llegaríamos a tener una partícula tan pequeña que no se podría dividir más veces. Su discípulo Demócrito, llamó átomos a estas partículas indivisibles (átomo significa indivisible en griego). Pero para otros filósofos, principalmente Aristóteles, la idea de átomos indivisibles les resultaba paradójico y la rechazaron. Aristóteles pensaba que todas las sustancias estaban formadas por mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, agua y fuego. El enorme prestigio de Aristóteles hizo que nadie cuestionase sus ideas, y los átomos fueron olvidados durante más de 2.000 años. LOS FILÓSOFOS GRIEGOS NUNCA EXPERIMENTABAN, YA QUE TRABAJAR CON LAS MANOS ERA COSA DE ARTESANOS; ELLOS SOLO PENSABAN. CREÍAN QUE LA MENTE ERA SUFICIENTE PARA CONOCER LA VERDAD.
Un modelo atómico es una representación que describe las partes que tiene un átomo y cómo están dispuestas para formar un todo. Veamos los distintos modelos que han ido surgiendo:
1. Modelo atómico de John Dalton (1766 -1844)
El modelo atómico de Dalton fue expuesto en un libro llamado “Nuevo sistema de filosofía química”, y en síntesis decía lo siguiente:
Algunas de estos planeamientos perdieron vigencia con el tiempo. Hoy sabemos que los átomos sí se pueden dividir y que no todos los átomos de un mismo elemento son iguales; pero es innegable que fueron muy importantes para la ciencia.
Esa no fue, sin embargo, la única contribución de John Dalton. Hizo muchos otros aportes en el campo de la meteorología y la física, e incluso en la medicina: cuando tenía 26 años se dio cuenta de que tanto él como su hermano confundían los colores. Realizó un detallado estudio de la enfermedad visual que padecía, el primero de su tipo, y por tanto desde ese momento se llamó “daltonismo”. En 1832 fue invitado a visitar al rey Guillermo IV y, cuál no fue la sorpresa de los presentes cuando el eminente científico llegó vistiendo un llamativo traje de color rojo. Claro, él lo veía gris oscuro, porque era, además de Dalton, daltónico.
2. El modelo atómico de Joseph John Thomson (1856-1940) (modelo pudin de pasas)
J. J. Thomson, en 1897, demostró la existencia del electrón una de las partículas subatómicas que conforma el átomo.También se sabía que los átomos son neutros. Como la masa de un electrón es muy pequeña comparada con el átomo, esto sugirió que la mayor parte de la masa está relacionada con la carga positiva.
Con estos resultados, J.J. Thomson propuso un modelo atómico en 1898 que proponía que los electrones estaban incrustados en el interior de una esfera uniforme de carga eléctrica positiva. Estos electrones estarían distribuidos uniformemente debido a la repulsión mutua que sufrían entre ellos. Por otro lado, en una situación estable, estos electrones se mantendrían en reposo. A este modelo se lo denominó “pudín de pasas”. Para llegar a esta conclusión realizó una serie de experimentos.
3. El modelo atómico de Ernest Rutherford (1871-1937) (modelo planetario)
Este científico descubrió el protón: partícula que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, y su masa es unas 1840 veces mayor que la del electrón. Postuló que:
El átomo tiene un núcleo central en el que están concentradas la carga positiva y prácticamente toda su masa.
La carga positiva de los protones es compensada con la carga negativa de los electrones, que están fuera del núcleo.
El núcleo contiene protones en número igual al de electrones del átomo.
Los electrones giran a mucha velocidad en torno al núcleo y están separados de éste por una gran distancia.
Rutherford supuso que el átomo estaba formado por un espacio fundamentalmente vacío, ocupado por electrones que giran alrededor de un núcleo central muy denso y pequeño.
El átomo queda constituido por:
Una zona central o núcleo donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y neutrones.
Una zona externa o corteza donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.
Hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.
La suma de la masa de los protones y de los electrones no coincide con la masa total del átomo, por lo que Rutherford supuso que en el núcleo tenía que existir otro tipo de partículas. Posteriormente, James Chadwick descubrió estas partículas sin carga, y masa similar a la del protón, que recibieron el nombre de neutrones.
4. Modelo atómico de Niels Bohr
Según Planc y Einstein, la energía de un sistema no puede aumentar o disminuir continuamente, sino a saltos. El electrón se mueve en unas órbitas circulares permitidas (niveles de energía), donde no admite ni absorbe energía.
La gran diferencia entre este y el anterior modelo es que en el de Rutherford los electrones giran describiendo órbitas que pueden estar a una distancia cualquiera del núcleo, mientras que en el modelo de Bohr sólo se pueden encontrar girando en determinados niveles.
Bohr supuso que el átomo solo puede tener ciertos niveles de energía definidos.
Bohr establece así, que los electrones solo pueden girar en ciertas órbitas de radios determinados. Estas órbitas son estacionarias, en ellas el electrón no emite energía: la energía cinética del electrón equilibra exactamente la atracción electrostática entre las cargas opuestas de núcleo y electrón.
El electrón solo puede tomar así los valores de energía correspondientes a esas órbitas. Los saltos de los electrones desde niveles de mayor energía a otros de menor energía o viceversa suponen, respectivamente, una emisión o una absorción de energía electromagnética (fotones de luz).
Sin embargo el modelo atómico de Bohr también tuvo que ser abandonado al no poder explicar los espectros de átomos más complejos. La idea de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas tuvo que ser desechada. Las nuevas ideas sobre el átomo están basadas en la mecánica cuántica, que el propio Bohr contribuyó a desarrollar.
5. El modelo actual: llamado mecano-cuántico
En
1926, Erwin Schrödinger, debido a la imposibilidad de calcular la posición
exacta de un electrón en la electrosfera, desarrolló una ecuación de
ondas (ecuación muy compleja, envolviendo el cálculo avanzado), que permitía
determinar la probabilidad de encontrar el electrón en una región dada del
espacio. Este modelo denominado mecano cuántico se caracteriza por los
siguientes principios:
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Como resultado de todas las investigaciones, el átomo está constituido como sigue:
Los filósofos de la antigua Grecia pensaron mucho sobre esto. Leucipo (450 a.C.) supuso que después de muchas divisiones llegaríamos a tener una partícula tan pequeña que no se podría dividir más veces. Su discípulo Demócrito, llamó átomos a estas partículas indivisibles (átomo significa indivisible en griego). Pero para otros filósofos, principalmente Aristóteles, la idea de átomos indivisibles les resultaba paradójico y la rechazaron. Aristóteles pensaba que todas las sustancias estaban formadas por mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, agua y fuego. El enorme prestigio de Aristóteles hizo que nadie cuestionase sus ideas, y los átomos fueron olvidados durante más de 2.000 años. LOS FILÓSOFOS GRIEGOS NUNCA EXPERIMENTABAN, YA QUE TRABAJAR CON LAS MANOS ERA COSA DE ARTESANOS; ELLOS SOLO PENSABAN. CREÍAN QUE LA MENTE ERA SUFICIENTE PARA CONOCER LA VERDAD.
1. Modelo atómico de John Dalton (1766 -1844)
El modelo atómico de Dalton fue expuesto en un libro llamado “Nuevo sistema de filosofía química”, y en síntesis decía lo siguiente:
- La materia está formada por partículas pequeñísimas llamadas “átomos”, estos eran esferas macizas.
- Estos átomos no se pueden dividir ni romper, no se crean ni se destruyen en ninguna reacción química, y nunca cambian.
- Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa y dimensiones; por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno son iguales.
- Por otro lado, los átomos de elementos diferentes, son diferentes; por ejemplo, los átomos de oxígeno son diferentes a los átomos de hidrógeno.
- Los átomos pueden combinarse para formar compuestos químicos. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno y oxígeno pueden combinarse y formar moléculas de agua.
- Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.
- Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto. Por ejemplo, un átomo de carbono con uno de oxígeno forman monóxido de carbono (CO), mientras que dos átomos de oxígeno con uno de carbono, forman dióxido de carbono (CO2)
Algunas de estos planeamientos perdieron vigencia con el tiempo. Hoy sabemos que los átomos sí se pueden dividir y que no todos los átomos de un mismo elemento son iguales; pero es innegable que fueron muy importantes para la ciencia.
Esa no fue, sin embargo, la única contribución de John Dalton. Hizo muchos otros aportes en el campo de la meteorología y la física, e incluso en la medicina: cuando tenía 26 años se dio cuenta de que tanto él como su hermano confundían los colores. Realizó un detallado estudio de la enfermedad visual que padecía, el primero de su tipo, y por tanto desde ese momento se llamó “daltonismo”. En 1832 fue invitado a visitar al rey Guillermo IV y, cuál no fue la sorpresa de los presentes cuando el eminente científico llegó vistiendo un llamativo traje de color rojo. Claro, él lo veía gris oscuro, porque era, además de Dalton, daltónico.
2. El modelo atómico de Joseph John Thomson (1856-1940) (modelo pudin de pasas)
J. J. Thomson, en 1897, demostró la existencia del electrón una de las partículas subatómicas que conforma el átomo.También se sabía que los átomos son neutros. Como la masa de un electrón es muy pequeña comparada con el átomo, esto sugirió que la mayor parte de la masa está relacionada con la carga positiva.Con estos resultados, J.J. Thomson propuso un modelo atómico en 1898 que proponía que los electrones estaban incrustados en el interior de una esfera uniforme de carga eléctrica positiva. Estos electrones estarían distribuidos uniformemente debido a la repulsión mutua que sufrían entre ellos. Por otro lado, en una situación estable, estos electrones se mantendrían en reposo. A este modelo se lo denominó “pudín de pasas”. Para llegar a esta conclusión realizó una serie de experimentos.
3. El modelo atómico de Ernest Rutherford (1871-1937) (modelo planetario)
Este científico descubrió el protón: partícula que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, y su masa es unas 1840 veces mayor que la del electrón. Postuló que:
El átomo tiene un núcleo central en el que están concentradas la carga positiva y prácticamente toda su masa.
La carga positiva de los protones es compensada con la carga negativa de los electrones, que están fuera del núcleo.El núcleo contiene protones en número igual al de electrones del átomo.
Los electrones giran a mucha velocidad en torno al núcleo y están separados de éste por una gran distancia.
Rutherford supuso que el átomo estaba formado por un espacio fundamentalmente vacío, ocupado por electrones que giran alrededor de un núcleo central muy denso y pequeño.
El átomo queda constituido por:
Una zona central o núcleo donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y neutrones.
Una zona externa o corteza donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.
Hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.
La suma de la masa de los protones y de los electrones no coincide con la masa total del átomo, por lo que Rutherford supuso que en el núcleo tenía que existir otro tipo de partículas. Posteriormente, James Chadwick descubrió estas partículas sin carga, y masa similar a la del protón, que recibieron el nombre de neutrones.
4. Modelo atómico de Niels Bohr
Según Planc y Einstein, la energía de un sistema no puede aumentar o disminuir continuamente, sino a saltos. El electrón se mueve en unas órbitas circulares permitidas (niveles de energía), donde no admite ni absorbe energía.La gran diferencia entre este y el anterior modelo es que en el de Rutherford los electrones giran describiendo órbitas que pueden estar a una distancia cualquiera del núcleo, mientras que en el modelo de Bohr sólo se pueden encontrar girando en determinados niveles.
Bohr supuso que el átomo solo puede tener ciertos niveles de energía definidos.
Bohr establece así, que los electrones solo pueden girar en ciertas órbitas de radios determinados. Estas órbitas son estacionarias, en ellas el electrón no emite energía: la energía cinética del electrón equilibra exactamente la atracción electrostática entre las cargas opuestas de núcleo y electrón.
El electrón solo puede tomar así los valores de energía correspondientes a esas órbitas. Los saltos de los electrones desde niveles de mayor energía a otros de menor energía o viceversa suponen, respectivamente, una emisión o una absorción de energía electromagnética (fotones de luz).
Sin embargo el modelo atómico de Bohr también tuvo que ser abandonado al no poder explicar los espectros de átomos más complejos. La idea de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas tuvo que ser desechada. Las nuevas ideas sobre el átomo están basadas en la mecánica cuántica, que el propio Bohr contribuyó a desarrollar.
5. El modelo actual: llamado mecano-cuántico
En
1926, Erwin Schrödinger, debido a la imposibilidad de calcular la posición
exacta de un electrón en la electrosfera, desarrolló una ecuación de
ondas (ecuación muy compleja, envolviendo el cálculo avanzado), que permitía
determinar la probabilidad de encontrar el electrón en una región dada del
espacio. Este modelo denominado mecano cuántico se caracteriza por los
siguientes principios:- Principio de indeterminación: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electrón en un punto exacto del espacio. Las ecuaciones del modelo mecano-cuántico describen el comportamiento de los electrones dentro del átomo, y recogen su carácter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas. Así establecieron el concepto de orbital, región del espacio del átomo donde la probabilidad de encontrar un electrón es muy grande.
- Características de los orbitales: La energía está cuantizada. Lo que marca la diferencia con el modelo de Böhr es que este modelo no determina la posición exacta del electrón, sino la mayor o menor probabilidad. Dentro del átomo, el electrón se interpreta como una nube de carga negativa, y dentro de esta nube, en el lugar en el que la densidad sea mayor, la probabilidad de encontrar un electrón también será mayor.
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Como resultado de todas las investigaciones, el átomo está constituido como sigue:
- Una zona central o núcleo donde se encuentra el total de la carga positiva (protones), y la mayor parte de la masa del átomo (protones + neutrones).
- El número de protones es fijo para todos los átomos de un mismo elemento. El número de neutrones puede variar.
- Una zona externa o corteza, donde están los electrones, que giran alrededor del núcleo. Hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.
En la física de las partículas los quarks son los constituyentes fundamentales de la materia junto con los leptones. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales.
Actualmente, se pueden distinguir seis tipos de quarks que los físicos de partículas han denominado de manera arbitraria, pero fácil de recordar y usar:
- Up (arriba) o simplemente u descubierto en el año 1964.
- Down (abajo) o simplemente d descubierto en el año 1968.
- Charm (encantado) o simplemente c descubierto en el año 1971.
- Strange (extraño) o simplemente s descubierto en el año 1964.
- Top (cima) o simplemente t descubierto en el año 1995.
- Bottom (fondo) o simplemente b descubierto en el año 1995.
Las variedades u y d sí que existen actualmente en la naturaleza de manera estable, y se distinguen entre ellas por su carga eléctrica (entre otras características).
En la naturaleza, los quarks u y d no se encuentran aislados; siempre se aglutinan en grupos de a 2 (hadrones) o de a 3 (bariones).
Los protones y los neutrones están formados por 3 quarks que se combinan de manera que producen una carga entera.
Familia de
partículas subatómicas. Son partículas elementales que no son afectadas por la interacción fuerte si no solo por las interacciones:
electro débil y gravitacional. Los leptones son: electrón, muón, neutrino y
tau.
ÁTOMOS,
ISÓTOPOS E IONES
Identificación
de los átomos
El número
de protones de un átomo es fijo, representa su “carnet de identidad”. Se llama número
atómico y se representa mediante la letra Z. Así, al decir que el
número atómico del sodio es 11 decimos que en el núcleo hay 11 protones, y
viceversa, todo átomo que tenga 11 protones es un átomo de sodio.
Se llama número
másico al número de protones y neutrones, y se representa por la letra A.
El
número de neutrones, N, es
la diferencia entre el número másico y el número atómico.
Z
=
número atómico = número de protones
A
= número másico = número de protones + número de neutrones
N = A – Z = número de neutrones.
Por
ejemplo, para el
flúor tenemos que Z = 9 y A = 19. Deducimos que un átomo de flúor tiene 9
protones y 10 neutrones en su núcleo, así como 9 electrones girando a su
alrededor, si la carga es neutra.
Cualquier átomo de un
elemento puede representarse así:
X es el símbolo del elemento
A es el número másico
Z es el número atómico
Isótopos
Cada
elemento químico se caracteriza por el número de protones de su núcleo, que se
denomina número atómico (Z). Así, el hidrógeno ( 1H)
tiene un protón, el carbono ( 6C) tiene 6 protones y el
oxígeno ( 8O) tiene 8 protones en el núcleo.
El número
de neutrones del núcleo puede variar. Casi siempre hay tantos o más neutrones
que protones. La masa atómica (A) se obtiene sumando el número de
protones y de neutrones de un núcleo determinado.
Un mismo
elemento químico puede estar constituido por átomos diferentes, es decir, sus
números atómicos son iguales, pero el número de neutrones es distinto. Estos
átomos se denominan isótopos del elemento en cuestión. Isótopos
significa "mismo lugar", es decir, que como todos los
isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico, ocupan el mismo lugar
en la Tabla Periódica.
Por
tanto:
- Si a un átomo se le añade un
protón, se convierte en un nuevo elemento químico
- Si a un átomo se le añade un neutrón, se convierte en un isótopo de ese elemento químico.
Se
conocen 3 isótopos del elemento hidrógeno: 11H es
el hidrógeno ligero, el más abundante, con un protón y cero neutrones. El 21H
es el deuterio (D), cuyo núcleo alberga un protón y un neutrón y el 31H
es el tritio (T), cuyo núcleo contiene un protón y dos neutrones.
Los
isótopos del carbono
son 116C (6 protones y cinco neutrones), 126C
(6 protones y seis neutrones), 136C (6 protones y siete
neutrones) y 146C (6 protones y ocho neutrones).
Sabemos
que este último se utiliza en arqueología para datar restos de edades
inferiores a 30mil o 40 mil años. El motivo es que el carbono-14 es un
radioisótopo (isótopo radiactivo de un elemento), es decir, emite
radiactividad. Se genera en la atmósfera de manera continua y existe un
equilibrio entre su formación y su desintegración radiactiva. Todos los seres
vivos absorben CO2, y por eso encontramos C-14 en toda la materia viva. Cuando
un ser vivo muere la concentración ce C-14 empieza a disminuir. Si medimos la
concentración de C-14 de una muestra podremos saber su antigüedad.
Un átomo no puede tener cualquier cantidad de neutrones. Hay combinaciones "preferidas"
de neutrones y protones, en las cuales las fuerzas que
mantienen la cohesión del núcleo parecen balancearse mejor. Los elementos
ligeros tienden a tener tantos neutrones como protones; los elementos pesados
aparentemente necesitan más neutrones que protones para mantener la cohesión.
Los átomos con algunos neutrones en exceso o no los suficientes, pueden existir
durante algún tiempo, pero son inestables.
Los átomos inestables
son radioactivos: sus núcleos cambian o se desintegran
emitiendo radiaciones.
Iones
Un
ión es un átomo que ha perdido o ganado algún electrón. Si pierde un electrón,
adquiere carga positiva y se convierte en un ión positivo o catión. Si
gana un electrón, adquiere carga negativa y se convierte en un ión negativo
o anión.
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