Sesión 6 y 7

EVOLUCIÓN DEL MODELO ATÓMICO

Los modelos nos ayudan a comprender mejor un tema a través de una comparación. Entre más conozcamos sobre un tema determinado, más perfecto será nuestro modelo, justo como pasó con el modelo atómico. ¡Conozcamos esta historia!

MODELO ATÓMICO DE DEMÓCRITO

Demócrito fue el filósofo griego que postuló por primera vez un modelo acerca del átomo. Desarrolló la “Teoría Atómica del Universo” la cual, no se apoyaba de experimentos, sino de razonamientos lógicos. Demócrito decía que la materia es una mezcla de elementos que poseen las mismas características, comprendidos de entidades infinitamente pequeñas, que no podríamos observar a simple vista, llamándolos átomos. Los tres puntos principales de su teoría son:

1) Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, incompresibles e invisibles.

2) Los átomos se diferencian solo en forma y tamaño, pero no por cualidades internas.

3) Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.

MODELO ATÓMICO DE DALTON

Este científico postuló su teoría atómica retomando algunas ideas de Demócrito. Gracias a este modelo se considera al átomo como la partícula fundamental de la materia, con la característica de que al agruparse forman moléculas. Los puntos más importantes de su teoría son:

1)Los elementos están formados por átomos.

2)Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí.

3)Los compuestos se forman por la unión de átomos de distintos elementos, combinados de manera sencilla y constante formando entidades bien definidas llamadas moléculas.

MODELO ATÓMICO DE THOMPSON

Basándose con la información que existía en ese entonces, Thompson presentó algunas hipótesis, tratando de justificar dos hechos:

1)La materia es eléctricamente neutra por lo que, además de contener electrones, debe de haber partículas con cargas positivas.

2)Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no las cargas positivas.

Su modelo consistía en una especie de “pastel” en la que los electrones aparecían incrustados como si fueran “trocitos de fruta”. De esta forma, pretendía explicar que la mayoría de la masa estaba asociada con la carga positiva y que había un número determinado de electrones distribuidos uniformemente dentro de esa masa con carga positiva.

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

Rutherford fue discípulo de Thompson; e identificó dos tipos de radiaciones a las que llamó alfa (α) y beta (β). Gracias a su experiencia en radiación, estableció un modelo molecular, que tiene las siguientes características:

1)El átomo tiene un núcleo central en el que está concentrada la carga positiva, y casi toda su masa.

2)En la zona exterior (corteza) se encuentra la carga negativa que está formada por electrones.

3)El núcleo contiene protones.

4)Los electrones giran alrededor del núcleo y están separados de éste por una gran distancia.

5)El tamaño del núcleo es muy pequeño en comparación con la del átomo.

MODELO ATÓMICO DE BOHR

Bohr realizó estudios con hidrógeno y gracias a esto estableció que:

1)Los átomos que tienen el mismo número de electrones de valencia y que poseen distintos números, tienen características similares.

2)Los átomos tienen un núcleo demasiado pequeño y denso que contiene partículas subatómicas.

3)Los electrones se encuentran en diferentes órbitas alrededor del núcleo.

4)Los átomos son eléctricamente neutros, pero si tienen electrones cargados negativamente, deben contener otras partículas con carga positiva (protones).

5)Chadwick descubre que el núcleo está compuesto por protones y neutrones.

Estos modelos fueron mejorando el concepto real del átomo hasta llegar al actual, representado por Sommerfeld y Schrödinger, quienes hicieron aportaciones muy importantes al modelo más actual que se tenía, es decir, el de Bohr.

En el caso del científico alemán Sommerfeld, perfeccionó el modelo al cambiar el concepto de las órbitas circulares que definían los electrones por órbitas elípticas. Este suceso, dio lugar al descubrimiento del número cuántico azimutal o secundario, que se define como: “mientras más grande sea este número, mayor era la excentricidad de la órbita elíptica del electrón”.

Schrödinger explica que los electrones no están en órbitas determinadas, como planteaba Bohr, dando origen a la famosa “ecuación de Schrödinger” que le permitía predecir la posición donde se encontrará el electrón.

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

La materia consiste de partículas extremadamente pequeñas agrupadas juntas para formar el átomo. Hay unas 90 ocurrencias naturales de estas agrupaciones de partículas llamadas elementos. Estos elementos fueron agrupados en la tabla periódica de los elementos en secuencia de acuerdo a sus números atómicos y peso atómico. Hay además 23 elementos hechos por el hombre que no ocurren en la naturaleza, por lo que al final son unos 113 elementos conocidos hasta la fecha. Estos elementos no pueden cambiarse por procesos químicos. Ellos solo pueden ser cambiados por reacción nuclear o atómica, sin embargo pueden ser combinados para producir el incontable número de compuestos con los que tropezamos día a día. (Montaño, 2019)

Fuente: https://webdelmaestro.com/las-propiedades-la-materia-4o-nivel/ Elaborado: Odalys Montaño Fernandez

Estructura del átomo

Un átomo puede ser representado simbólicamente en un modelo que recrea nuestro sistema solar, el cual tiene en el centro el sol y los planetas girando en órbitas alrededor de él. Este modelo atómico, representado en la figura 1 fue propuesto por el físico Danés, Niels Bohr en 1913. Los mecanismos cuánticos actuales han demostrado que este modelo no es exactamente correcto, pero sigue siendo útil para la visualización de átomo. El centro del átomo se llama núcleo y está principalmente formado por las partículas llamadas Protones y Neutrones, los que constituyen la mayoría de la masa del átomo. Orbitando alrededor del los núcleos están pequeñas partículas llamadas electrones. Estos electrones tienen una masa muchas veces mas pequeña que el Protón y el Neutrón. Hay otras partículas sub-atómicas estudiadas por los físicos atómicos, pero estas tres son suficientes para nuestro propósito. Todos los elementos de la tabla periódica están formados por las tres partículas con la sola excepción del Hidrógeno que tiene un núcleo formado por un protón simple, alrededor del cual gira orbitando un electrón. El protón y el neutrón tienen una masa de alrededor de 1840 veces la masa del electrón. (Montaño, 2019)

Número y peso atómicos

Los elementos se identifican por su número y masa atómicos. Normalmente, un átomo tiene igual número de protones en su núcleo que de electrones girando alrededor de él. El número de protones del núcleo constituye el número atómico del elemento. De manera simplificada la masa atómica de un elemento es numéricamente igual al total de partículas mayores (protones y neutrones) en el núcleo. Uno de los primeros elementos estudiados por los científicos fue el oxígeno. Después de la investigación, en el núcleo del oxígeno se encontraron 8 protones y 8 neutrones, por lo que le fueron asignados 16 como peso atómico y 8 como número atómico. 

Niveles y sub-niveles

Los electrones que giran alrededor del núcleo los hacen agrupados en anillos u órbitas. Esas órbitas se tratan como niveles de energía los que a su vez contienen además sub-niveles. Cada nivel y sub-nivel de energía dependiendo de la distancia al núcleo contiene un cierto número máximo de electrones que no puede excederse. El primer nivel puede tener 2 electrones, el segundo 8 (2 en el primer sub-nivel y 6 en el segundo), el tercero puede contener 18 (2, 6, 10), el cuarto puede contener 32 (2, 6, 10, 14), etc. 

El último nivel de energía de un átomo se llama nivel de valencia y puede estar lleno con el número máximo de electrones permitidos o tener electrones en defecto. Como este último nivel de energía está incompleto puede aceptar o ceder alguno de los electrones a otro átomo de otro elemento que cumpla la misma condición y así formar uniones de átomos diferentes que comparten uno o mas electrones. Este enlace de átomos constituye la base de la comprensión de las reacciones químicas para formar sustancias complejas a partir de elementos simples. Cuando el último nivel está completo el átomo no puede compartir electrones siendo una sustancia muy estable y que no forma compuestos con otros elementos en condiciones normales, estas sustancias son los llamados gases nobles, Helio Argón Xenón etc. 

Carga eléctrica

Los protones y electrones ejercen fuerzas mutuas entre ellos, más o menos como si existiera una fuerza gravitacional entre ellos, por lo que se ha supuesto que las masas de estas partículas son portadoras de cierta carga eléctrica y que la fuerza de interacción entre ellas es entonces una fuerza eléctrica. En la práctica estas fuerzas eléctricas son de atracción entre partículas de naturaleza diferente (protones y electrones) y de repulsión entre las partículas de la misma naturaleza al igual que los polos de un imán, esto hace pensar en cargas de diferente naturaleza las que han sido convencionalmente denominadas positiva (+) para el protón y negativa (-) para el electrón. Se ha demostrado además que las magnitudes de las cargas de las partículas con independencia de la enorme diferencia de masa son iguales, por lo que el átomo normal (misma cantidad de protones y electrones) es una entidad neutra eléctricamente hablando. Esta carga de las partículas elementales es la menor cantidad de carga eléctrica que puede existir por lo que se ha convenido en denominar carga elemental. (Montaño, 2019)

Fuente: https://www.edu.xunta.es/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/146494784 3/contido/11_la_carga_elctrica.html  Elaborado: Odalys Montaño

El electrón

El electrón es una partícula elemental. Esto significa que no se descompone en otras partículas. Según el modelo estándar de la materia, toda la materia que vemos en el universo se compone de cuatro partículas elementales: electrones, quarks up, quarks down y neutrinos. En el modelo físico de la mecánica cuántica, el electrón es una partícula puntual y no tiene volumen. Pero no hay ningún problema para que se le asigne un momento angular (una rotación). Podemos pensar en que el electrón es como una bolita que gira sobre sí misma. Este momento angular se denomina espín y está cuantizado; es decir, que no puede tener cualquier valor, sino múltiplos de una cantidad mínima, que es 1/2 de la constante reducida de Planck. El electrón, al igual que todas las partículas elementales (cuatro en cada una de la tres familias), tiene espín de valor 1/2. A las partículas que tienen espín 1/2 , se las denomina fermiones, en honor del físico italiano Enrico Fermi (1901-1954). Es interesante saber que, en todos los astros, por cada protón hay un electrón. Esto hace que todos los astros sean neutros eléctricamente: el número de cargas positivas es exactamente igual al número de cargas negativas. Aunque parezca increíble, si así no fuera, la fuerza de gravedad sería insuficiente para asegurar la cohesión de la materia del astro y éste explotaría. Pulse en la imagen, para saber más acerca de Enrico Fermi. 

El protón

El protón tenemos que dejar patente que fue descubierto en los primeros compases del siglo XX por el científico Ernest Rutherford. Concretamente en el año 1918 fue cuando dio a conocer la existencia de ese elemento. No obstante, otras figuras que abordaron dicha temática son J.J. Thompson o Eugene Goldstein. En el caso del ámbito de la Química hay que subrayar el hecho de que cuando se habla de protón se está haciendo referencia a varios elementos posibles. Por un lado, aquel puede ser el catión de hidrógeno y también puede emplearse como el número atómico de protones que tiene un átomo en cuestión. Los protones se clasifican dentro la categoría de bariones (las partículas subatómicas formadas por tres quarks). En el caso específico de los protones, están compuestos por dos quarks arriba y un quark abajo. Su equivalente de antimateria es el antiprotón o protón negativo, con la misma magnitud de carga pero signo contrario.La acción de la fuerza electromagnética hace que la carga del protón sea opuesta e igual (en valor absoluto) a la carga del electrón. Las propiedades de los protones permiten la espectroscopía de resonancia magnética nuclear, una técnica que consiste en la aplicación de un campo magnético a una sustancia para detectar la corteza existente alrededor de los protones en el núcleo.

El neutrón

Un neutrón es una partícula masiva sin carga eléctrica. Se trata de un barión (una partícula subatómica compuesta por tres quarks) formado por dos quarks abajo y un quark arriba. Los neutrones y los protones constituyen los núcleos de los átomos. El neutrón tiene una vida media de unos quince minutos fuera del núcleo atómico, cundo emite un electrón y un antineutrón para convertirse en protón. Los neutrones, que tienen una masa similar a los protones, son necesarios para la estabilidad de los núcleos atómicos (con la excepción del hidrógeno). Otros experimentos realizados posteriormente hicieron que se descartara la idea del dipolo y establecieron la naturaleza de los neutrones, tal como se acepta actualmente. Los neutrones son fundamentales en las reacciones nucleares: cuando un neutrón impacta con un átomo fisible, se produce un mayor número de neutrones que causan a su vez otras fisiones en cadena. Si esta reacción se produce de forma controlada mediante el uso de un moderador en el reactor nuclear, es posible aprovechar la energía nuclear desarrollada. 

El positrón o electrón positivo

Positrón. Electrón con carga positiva. La interacción con el electrón puede resultar en la aniquilación de ambos, con lo que se produce un par de fotones cuya energía equivale a la masa del par electrón-positrón. Esta propiedad define al positrón como la antipartícula asociada al electrón. Es la antipartícula correspondiente al electrón, por lo que posee su misma masa y carga eléctrica (aunque de diferente signo, ya que es positiva). No forma parte de la materia ordinaria, sino de la antimateria, aunque se producen en numerosos procesos radio químicos como parte de transformaciones nucleares. 

El antielectrón es tan estable como el electrón, de hecho, es idéntico al electrón en todos sus aspectos, excepto en su carga eléctrica. Su existencia puede ser indefinida. Aunque el promedio de vida es de una millonésima de segundo, hasta que se encuentra con un electrón, durante un momento relampagueante quedaran asociados el electrón y el positrón; ambas partículas giraran en torno a un centro de fuerza común. Pero la existencia de este sistema, como máximo, durará una diezmillonésima de segundo ya que se combinan el positrón y el electrón. Cuando se combinan las dos partículas opuestas, se produce una neutralización mutua y literalmente desaparecen, no dejan ni rastro de materia (aniquilamiento mutuo). Pero como se sabe la materia al igual que la energía no puede desaparecer, como resultado de esto queda la energía en forma de radiación gamma. De tal forma como había sugerido el genio Albert Einstein: la materia puede convertirse en energía, y viceversa. (Montaño, 2019)

Retomado de 

Odalys Montaño. https://www.bautistasanz.com/viajan-los-electrones-por-los-cables-electricos-a-la-velocidad-de-la-luz/.