Estructura Atòmica: La Matèria PDF

# La matèria: Estructura atòmica ## La matèria des de l'Antiguitat * **Segle V a.C.:** Empèdocles va establir que la matèria estava formada per quatre elements: terra, aigua, aire i foc. * **Segle V a.C.:** Demòcrit, seguint el pensament del seu mestre Leucip, va postular que la matèria estava con...

# La matèria: Estructura atòmica ## La matèria des de l'Antiguitat * **Segle V a.C.:** Empèdocles va establir que la matèria estava formada per quatre elements: terra, aigua, aire i foc. * **Segle V a.C.:** Demòcrit, seguint el pensament del seu mestre Leucip, va postular que la matèria estava constituïda per partícules indivisibles anomenades **àtoms** (en grec, 'indivisible'). * **Segle IV a.C.:** Aristòtil va negar la idea d'àtom i va admetre la teoria dels quatre elements. La seva teoria va prevaldre per la seva autoritat com a filòsof. * **Segle XIX:** La idea dels àtoms va tornar a ser considerada. ## Teoria atòmica de Dalton A principis del segle XIX, el 1808, el químic anglès J. Dalton va enunciar la seva teoria atòmica, els principis de la qual es recullen en la taula següent: ### Postulats fonamentals de la teoria atòmica de Dalton 1. La matèria està formada per partícules petites, separades i indivisibles, anomenades **àtoms**. 2. Els àtoms d'un mateix element tenen la mateixa massa i propietats equivalents. 3. Els àtoms d'elements diferents tenen una massa diferent i propietats distintes. 4. Els àtoms d'elements diferents es poden unir en quantitats fixes per a originar **compostos** (àtoms compostos), de manera que els àtoms d'un compost determinat també són iguals pel que fa a la massa i les propietats. ### Definicions a partir de la teoria atòmica de Dalton: * **Un àtom** és la partícula més petita d'un element químic, que conserva les propietats d'aquest element. * **Un element** és una substància formada per atomis iguals. * **Un compost** és una substància formada per la unió d'àtoms diferents en una relació numèrica senzilla. ### Exemple: la formació del compost aigua (H₂O) **Element hidrogen** (amb tots els àtoms iguals) + **Element oxigen** (amb tots els àtoms iguals) = **Compost aigua**, format per la unió de dos àtoms d'hidrogen i un àtom d'oxigen. ## El daltonisme de Dalton Dalton confonia uns colors determinats. Patia un trastorn que avui dia coneixem amb el terme que va establir ell mateix: **daltonisme**. Aquesta raó feia que Dalton s'equivoqués amb els flascons de reactius al laboratori. ## Estructura atòmica Encara que la teoria atòmica de Dalton va ser de gran utilitat per a interpretar la composició de la matèria i les seves propietats, no explicava algunes experiències que posaven de manifesta la naturalesa elèctrica de la matèria. Si els fenòmens elèctrics demostraven que la matèria podia guanyar o perdre càrregues elèctriques a l'interior dels àtoms, significava això que l'àtom era divisible? En cas d'afirmativa, la teoria de Dalton era errònia. A finals del segle XIX i principis del XX, l'estudi de conductivitat elèctrica a través dels gasos va portar al descobriment de les dues primeres partícules subatòmiques responsables de la càrrega de la matèria: l'electró i el protó. Per tant, l'àtom era divisible i Dalton estava equivocat. ## Partícules subatòmiques * **L'electró:** El 1897, el físic britànic J.J. Thomson (1856-1940) va comprovar que, en el càtode d'un tub de descàrrega de gas (a pressió baixa i voltatge alt), s'emetien raigs constituïts per partícules de càrrega elèctrica negativa (raigs catòdics). Aquestes partícules són els **electrons**. Els electrons són partícules de càrrega negativa i de massa molt petita. * **El protó:** El 1886, el físic alemany E. Goldstein (1850-1930) va observar que, quan es perforava el càtode del tub de vidre, apareixien uns raigs que travessaven el càtode en sentit contrari als raigs catòdics (raigs canals o anòdics). Estaven formats per partícules de càrrega positiva i tenien una massa diferent segons el gas tancat en el tub. En experimentar amb hidrogen, es va aconseguir ailiar la partícula elemental positiva o **protó**, la càrrega del qual és la mateixa que la de l'electró, però positiva, i la seva massa és 1837 vegades superior. Els protons són partícules de càrrega positiva i de massa 1837 vegades més gran que la dels electrons. * **El neutró:** Amb altres experiments es va comprovar que la massa de protons i electrons no coincidia amb la massa total de l'àtom. El 1932, el físic britànic J. Chadwick (1891-1974) va descobrir l'existència d'una altra partícula subatòmica que va anomenar **neutró**. Els neutrons són partícules de massa semblant a la del protó i no tenen càrrega elèctrica. ## Models atòmics Al final del segle XIX es va arribar a la conclusió que el model de Dalton no era un model correcte. Amb el pas del temps i a mesura que la ciència anava avançant, van anar sorgint diferents representacions de l'àtom, que tractaven d'explicar-ne les propietats i el comportament: els **models atòmics**. ### Model atòmic de Thomson El 1904, Joseph John Thomson (1856-1940) va proposar un model molt elemental per a descriure l'àtom. Com que la matèria és elèctricament neutra, Thomson va considerar que l'àtom devia ser una esfera massissa de matèria carregada positivament, a l'interior de la qual hi havia incrustats els electrons. Es tracta d'un model estàtic en què els àtoms podien perdre electrons, amb la qual cosa justificava fenòmens com l'electrització. ### Model atòmic de Rutherford El 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) va observar que algunes de les partícules emeses per una substància radioactiva experimentaven una desviació significativa en la seva trajectòria quan travessaven una làmina fina d'or. Per a poder explicar aquest fet, va proposar el model atòmic següent: * La major part de la massa de l'àtom i tota la seva càrrega positiva es troben reunides en una zona central minúscula anomenada **nucli**. Quan una partícula alfa passava a prop del nucli, en l'experiment, es veia sotmesa a una força de repulsió i experimentava una gran desviació. * Fora del nucli, els electrons, en el mateix nombre que les unitats de càrrega positiva, giren en orbites circulars al voltant d'aquest. D'aquesta manera, va demostrar que els àtoms no són massissos, sinó que estan gairebé del tot buits. Per això, la major part de les partícules van travessar la làmina d'or i es van desviar poc o gens. A més, ja va intuir la presència de neutrons al nucli. ### Model atòmic de Bohr El físic danès Niels Bohr (1885-1962) va partir del model de Rutherford i va incorporar-hi els principis de la mecànica quàntica que havia desenvolupat Max Planck i l'efecte fotoelèctric que Albert Einstein havia descobert uns quants anys abans. Amb això i prenent com a base l'àtom d'hidrogen, el 1913 Bohr va proposar un model atòmic amb tres postulats fonamentals: 1. Els electrons giren al voltant del nucli en orbites circulars de radis definits. Es tracta d'òrbites estacionàries en les quals no s'emet ni s'absorbeix energia. 2. En cadascuna d'aquestes òrbites només hi pot haver un nombre concret d'electrons, amb una energia determinada en cada cas. No totes les òrbites són possibles: existeixen unes òrbites permeses i unes altres de prohibides. 3. Perquè un electró canviï d'una orbita permesa a una altra, cal modificar-ne l'energia en una quantitat determinada. Aquest model atòmic és el primer en el qual s'introdueix la idea de **quantització** de l'energia. ## Del model de Bohr al model atòmic actual La semblança del model atòmic de Bohr amb els models planetaris i el fet que interpretés certs esdeveniments experimentals que, en aquell temps, no tenien explicació van comportar que es convertís en un èxit immediat. * El 1915, l'alemany Arnold Sommerfeld (1868-1951) va modificar el model introduint-hi també **òrbites el·líptiques**. * El descobriment del neutró el 1932 va completar la descripció del model atòmic desenvolupat per Rutherford i Bohr. Així, l'àtom consta de dues parts ben diferenciades: el **nucli** i l'**escorça**: * El **nucli** és la part central de l'àtom. En aquesta regió, hi trobem els protons i els neutrons. La massa d'un àtom es concentra en el nucli, ja que la massa dels electrons és insignificant en comparació amb la dels protons i els neutrons. * L'**escorça** és la part exterior de l'àtom i conté els electrons, que giren en orbites al voltant del nucli. En tots els àtoms, el nombre de protons del nucli és igual al nombre d'electrons de l'escorça, per la qual cosa l'àtom és elèctricament neutre. * El volum que ocupa l'àtom és aproximadament 10000 vegades més gran que el volum del nucli. Per fer-nos-en una idea: si l'àtom fos de la grandària d'un camp de futbol, el nucli seria com un pèsol situat al seu centre. Així, podem dir que l'àtom està bàsicament buit. Els nous avenços en mecànica quàntica, de científics com Louis de Broglie (1892-1987), Werner Heisenberg (1901-1976) i Erwin Schrödinger (1887-1961), van obligar a proposar el **model atòmic actual**: el **model d'orbitals**. * Es va abandonar el concepte d'orbita estacionària, basat en les lleis de la mecànica clàssica, pel fet que no es pot determinar amb precisió la posició exacta d'un electró en un instant concret. * En el model actual, els electrons no descriuen òrbites definides al voltant del nucli, sinó que es distribueixen en **orbitals**. **Els orbitals** són regions de l'espai, al voltant del nucli, on la probabilitat de trobar un electró amb una energia determinada és molt gran. Aquest model s'allunya més de la realitat quotidiana i respon millor al món microscòpic (molècules, àtoms i partícules subatòmiques). ## Nombre atòmic i nombre màssic Com podem diferenciar un àtom d'un altre? Els àtoms d'un mateix element s'identifiquen mitjançant un paràmetre característic: el nombre de protons que contenen en el seu nucli. Aquest paràmetre s'anomena **nombre atòmic**. * **El nombre atòmic, Z,** és el nombre de protons d'un àtom i determina l'element del qual es tracta. * Com que els electrons amb prou feines tenen massa, la massa d'un àtom es correspon bàsicament amb la suma de la massa dels protons i els neutrons del nucli. Per això, definim el **nombre màssic** de la manera següent: * **El nombre màssic, A,** indica la suma del nombre de protons i de neutrons que té el nucli d'un àtom. * Si anomenem N el nombre de neutrons, la relació d'aquest amb Z i A és la següent: **A=Z+N** Com que l'àtom és elèctricament neutre, el seu nombre de protons coincideix amb el d'electrons. D'aquesta manera, podem determinar el nombre de cadascuna de les partícules subatòmiques que conté. ### Exemple: el fluor (F) * Nombre atòmic: Z = 9 * Nombre màssic: A = 19 * Nombre de protons: 9 * Nombre de neutrons: N = A - Z = 19 - 9 = 10 * Nombre d'electrons: 9 (el nombre d'electrons és igual al nombre de protons perquè l'àtom és neutre) ## La unitat de massa atòmica Com que la massa dels àtoms és molt petita, no és pràctic mesurar-la en quilograms. La unitat triada per a expressar la massa d'un àtom s'anomena **unitat de massa atòmica**. **La unitat de massa atòmica, u, es defineix com la dotzena part de la massa d'un àtom de carboni-12 (¹²C) i coincideix aproximadament amb la massa d'un protó.**