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El ÁTOMO Y MODELOS ATÓMICOS La concepción que tiene el hombre acerca del átomo ha evolucionado desde los tiempos de Leucipo y Demócrito, los filósofos griegos de 400 años antes de Cristo hicieron sus observaciones para dar las primeras opiniones acerca de la estructura de la mate...

El ÁTOMO Y MODELOS ATÓMICOS La concepción que tiene el hombre acerca del átomo ha evolucionado desde los tiempos de Leucipo y Demócrito, los filósofos griegos de 400 años antes de Cristo hicieron sus observaciones para dar las primeras opiniones acerca de la estructura de la materia, cuando señalaron que el átomo era una partícula indivisible que carecía de estructura interna. Es interesante destacar que el término átomo fue propuesto por estos sabios griegos. Los principios del atomismo son los siguientes: a) Todas las cosas están compuestas de átomos. b) Entre los átomos no existe nada. c) Los átomos son indivisibles y eternos. d) Los átomos de los materiales difieren entre sí por su forma, tamaño y distribución geométrica. Los filósofos griegos Leucipo y Demócrito señalaron que el átomo era una partícula indivisible. Como se aprecia, en estos principios ya se tenía la idea de la conservación de la materia. El surgimiento de la idea moderna del átomo fue posible gracias al aporte de diferentes científicos como Lavoisier y a la formulación de la ley de las proporciones definidas de Proust. Más tarde, el estudio de fenómenos como la electricidad y la radioactividad condujo a la búsqueda de una explicación a estos hechos a través de la estructura atómica. Todas estas experiencias han ido creando un espíritu científico deseoso, de dar respuesta a la concepción atómica lo cual se conoce a través de la formulación de diferentes modelos atómicos. Actualmente continúa la investigación sobre la estructura del átomo. Descubrimiento de las partículas subatómicas fundamentales. Hacia la primera parte del siglo XX, una creciente evidencia indicó que los átomos no eran esferas sólidas, como Dalton imaginó. Conforme se descubría más acerca de los átomos, se encontró que contenían partículas más pequeñas llamadas partículas subatómicas. Aunque hay muchas partículas subatómicas, aquí sólo nos ocuparemos de los protones, neutrones y electrones. Es el número y ordenamiento de estas partículas subatómicas lo que determina el tipo de átomo que se encuentra en un elemento. De las tres partículas subatómicas que nos interesan: protones, neutrones y electrones, dos portan cargas eléctricas. El protón tiene carga positiva (+) y el electrón porta carga negativa (-). El neutrón no tiene carga eléctrica, es neutro. Cargas iguales se repelen; se empujan para alejarse una de otra. Cargas opuestas o diferentes se atraen. Electrón. Descubierto por el científico británico J.J Thomson por medio del estudio de las propiedades de los rayos catódicos. En un artículo publicado en 1897, Thomson resumió sus observaciones y concluyó que los rayos catódicos son un haz de partículas con carga negativa. El artículo de Thomson se acepta en general como el “descubrimiento” de lo que después se conoció como el electrón. Con los estudios realizado por Thomson del electrón, en 1909 Robert Millikan de la Universidad de Chicago logró calcular la masa del electrón, dando un resultado de 9,110 x10-28 g, valor actualmente aceptado. Esta masa es aproximadamente 2000 veces más pequeña que la del hidrógeno, el átomo más ligero. Protón. Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los átomos: que contienen electrones y que son eléctricamente neutros. Para que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Ernest Rutherford, quien estudió con Thomson en la Universidad de Cambridge, por medio del experimento de la lámina de oro y de otros metales, Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del átomo, que llamó núcleo. Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otro experimento se encontró que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de 1,673 x 10 -24g, aproximadamente 1840 veces la masa del electrón con carga opuesta. Hasta este punto los científicos visualizaban el átomo de la siguiente manera: la masa del núcleo constituye la mayor parte la masa total del átomo, pero el núcleo ocupa sólo 1/10 13 del volumen total del átomo. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamaño de un átomo y su núcleo imaginando que si un átomo tuviera el tamaño de un estadio olímpico, el volumen de su núcleo sería comparable con el de una pequeña canica. Mientras que los protones están confinados en el núcleo del átomo, se considera que los electrones están esparcidos alrededor del núcleo y a cierta distancia de él. Neutrón. El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía sólo un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la relación es 4:1. Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo d partícula subatómica en el núcleo, hecho que el físico James Chadwick probó en 1932. Chadwick llamó neutrones, debido a que demostró que eran partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora se podía explicar. En el núcleo de helio existen dos protones y dos neutrones, en tanto que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones; por tanto, la relación es 4:1. Masa del neutrón es de 1,675 x 10 -24 g. Reseña histórica de los modelos atómicos La concepción que tiene el hombre acerca del átomo ha evolucionado desde los tiempos de Leucipo y Demócrito, los filósofos griegos de 400 años antes de Cristo hicieron sus observaciones para dar las primeras opiniones acerca de la estructura de la materia, cuando señalaron que el átomo era una partícula indivisible que carecía de estructura interna. Es interesante destacar que el término átomo fue propuesto por estos sabios griegos. Los principios del atomismo son los siguientes: e) Todas las cosas están compuestas de átomos. f) Entre los átomos no existe nada. g) Los átomos son indivisibles y eternos. h) Los átomos de los materiales difieren entre sí por su forma, tamaño y distribución geométrica. Los filósofos griegos Leucipo y Demócrito señalaron que el átomo era una partícula indivisible. Como se aprecia, en estos principios ya se tenía la idea de la conservación de la materia. El surgimiento de la idea moderna del átomo fue posible gracias al aporte de diferentes científicos como Lavoisier y a la formulación de la ley de las proporciones definidas de Proust. Más tarde, el estudio de fenómenos como la electricidad y la radioactividad condujo a la búsqueda de una explicación a estos hechos a través de la estructura atómica. Todas estas experiencias han ido creando un espíritu científico deseoso, de dar respuesta a la concepción atómica lo cual se conoce a través de la formulación de diferentes modelos atómicos. Actualmente continúa la investigación sobre la estructura del átomo. La teoría atómica En el siglo V a.C., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que significa indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos, Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicas apoyaron el concepto de “atomismo”, lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, un científico inglés, el profesor Jonh Dalton, formuló una definición precisa de las unidades indivisibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos. El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. La hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton, puede resumirse como sigue: 1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. 2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. 3. Los compuestos está formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla. 4. Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca supone la creación o destrucción de los mismos. a) De acuerdo con la teoría atómica de Dalton, los átomos del mismo elemento son idénticos, pero los átomos de un elemento son distintos de los átomos de otros. b) Compuesto formado por átomos de los elementos X y Y. En este caso, la proporción de los átomos del elemento X con respecto a la del elemento Y es de 2:1. Observe que la reacción química produce sólo un reordenamiento de átomos, no su destrucción o creación. El concepto de Dalton sobre un átomo es mucho más detallado y específico que el concepto de Demócrito. La segunda hipótesis establece que los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomos, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por los elementos como el hidrógeno y el oxígeno, sólo se puede explicar a partir de la idea de que los átomos de hidrógeno son diferentes de los átomos de oxígeno. La tercera hipótesis sugiere que, para formar un determinado compuesto, no solamente se necesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un número específico de dichos átomos. Esta idea es una extensión de una ley publicada en 1799 por el químico francés Joseph Proust. La ley de las proporciones definidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción de masa. Así, si se analizan muestras de dióxido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrará la misma proporción de los átomos de los elementos en dicho compuesto también debe ser constante. La segunda hipótesis de Dalton confirma otra importante ley, la ley de las proporciones múltiples. Según esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro, mantiene una relación de números enteros pequeños. La teoría de Dalton explica la ley de las proporciones múltiples de una manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos difieren en el número de átomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxígeno, llamados monóxido de carbono y dióxido de carbono. Las técnicas modernas de medición indican que un átomo de carbono se combina con un átomo de oxígeno en el monóxido de carbono, y con dos átomos de oxígeno en el dióxido de carbono. De esta manera, la proporción de oxígeno en el monóxido de carbono es 1:1 y en el dióxido de carbono es 1:2. Este resultado está de acuerdo con la ley de las proporciones múltiples. Ilustración de la ley de las proporciones múltiples. La cuarta hipótesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia está formada por átomos, que no cambian en una reacción química, se concluye que la masa también se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estímulo para el rápido progreso de la química durante el siglo XIX. Modelos atómicos. Cuando hablamos de “modelo” hablamos de una representación o esquema de forma gráfica que nos sirve como referencia para entender algo de forma más sencilla y cuando hablamos de “atómico” hablamos de conceptos relacionados con los átomos. Modelo atómico de John Dalton El modelo atómico sugerido por Dalton en 1803 se basó en la proposición de que los átomos eran INDIVISIBLES, inmutables y aparentemente sin estructura. Dalton describió a los átomos como esferas pequeñísimas compactas, de tamaño y masas distintas. La aceptación del modelo de Dalton cubrió una etapa de casi un siglo. Más tarde se realizaron estudios donde se demostró que el átomo estaba constituido por partículas aún más pequeñas: los electrones y los protones. En consecuencia el concepto de Dalton de que la materia estaba formada por partículas indivisibles o átomos fue descartado.  Modelo atómico de J.J Thomson J.J Thomson al estudiar la estructura del átomo en 1904, propuso el modelo atómico conocido como el “modelo del budín de pasas”; en el cual visualizaba al átomo como una esfera comparada a un budín de pasas uniforme de carga positiva con igual cantidad de cargas negativas o electrones en su interior. Más tarde Thomson opinó que los electrones se colocaban en círculos y que se movían describiendo órbitas circulares alrededor de la esfera cargada positivamente. Aunque el modelo atómico de Thomson resultó errado, ofreció una respuesta a las expectativas sobre la estructura del átomo en ese momento. Modelo atómico de Rutherford El modelo nuclear del átomo sugerido por Ernest Rutherford se apoya en la tesis de que el átomo consta de un núcleo pequeño cargado positivamente rodeado de electrones ubicados a distancias relativamente grandes. Rutherfort dijo que: en un átomo neutro la carga del núcleo debe ser igual al número de electrones en movimiento alrededor del mismo núcleo. También indicó que la mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. El modelo atómico de Rutherford brindó una idea razonable del átomo; sin embargo, no explicó la forma cómo los electrones se mueven alrededor del núcleo. Modelo Atómico De Bohr Este modelo también se llama de Bohr-Rutherford. Niels Henrik David Bohr fue un físico danés que vivió entre los años 1885 y 1962 que se basó en las teorías de Rutherford para explicar su modelo atómico. En el modelo de Bohr se introdujo ya la teoría de la mecánica cuántica que pudo explicar cómo giraban los electrones alrededor del núcleo del átomo. Los electrones al girar en torno al núcleo definían unas órbitas circulares estables que Bohr explicó como que los electrones se pasaban de unas órbitas a otras para ganar o perder energía. Demostró que cuando un electrón pasaba de una órbita más externa a otra más interna emitía radiación electromagnética. Cada órbita tiene un nivel diferente de energía. Modelo Atómico De Sommerfeld Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld fue un físico alemán que vivió entre los años 1868 y 1951. La aportación más importante de este físico alemán fue cambiar el concepto de las órbitas circulares que definían los electrones en el modelo atómico de Bohr por órbitas elípticas. Lo que hizo Sommerfeld fue perfeccionar el modelo de Bohr con las órbitas elípticas lo que dio lugar al descubrimiento del numero  cuántico Azimutal (o secundario). Cuanto mayor era este número mayor era la excentricidad de la órbita elíptica que describía el electrón. Modelo Atómico De Schrödinger Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger fue un físico austriaco que vivió entre los años 1887 y 1961 cuyo modelo cuántico y no relativista explica que los electrones no están en órbitas determinadas. Describió la evolución del electrón alrededor del núcleo mediante ecuaciones matemáticas, pero no su posición. Decía que su posición no se podía determinar con exactitud. Schrödinger propuso entonces una ecuación de onda que ayuda a predecir las regiones donde se encuentra el electrón, que se conoce como “ecuación de Schrödinger”.