Sesión 7.- Estructura del átomo
ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
La base de todo lo relacionado con la energía nuclear radica en el átomo, puesto que la tecnología nuclear se basa en el aprovechamiento de la energía interna contenida en los átomos. Por este motivo, para entender como se producen las reacciones nucleares (fisión nuclear o fusión nuclear) conviene comprender como está estructurado un átomo.
Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico.
El átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones ligados al núcleo. El núcleo está hecho de uno o más protones y, típicamente, un número similar de neutrones; los protones y neutrones se denominan nucleones.
Los protones del núcleo atómico están unidos por unos enlaces muy fuertes en los cuales al romperse o generarse se genera una gran cantidad de energía. La energía nuclear se basa en la creación o rotura de estos enlaces.
 | agua (hasta 70-80% del peso celular), |
| bioelementos primarios como C, O, N, H, P y S, imprescindibles para formar los principales tipos de moléculas biológicas (glúcidos, lípidos, proteínas y ác. nucléicos) |
| bioelementos secundarios: todos los restantes; algunos son imprescindibles como el Ca, Na, Cl, K, Mg, Fe, etc., otros sólo son fundamentales para especies determinadas. |
| un átomo es estable (no reaccionará con otros) cuando su capa externa de electrones esté completamente ocupada o completamente vacía. |
| un átomo es reactivo cuando su capa externa de electrones externa solo está parcialmente llena, y puede lograr estabilidad al perder electrones, al ganarlos o compartirlos con otro átomo, esto da como resultado fuerzas llamadas enlaces químicos que mantiene juntos los átomos en la molécula. Los enlaces pueden ser iónicos o covalentes |
Por ejemplo, durante la reacción del sodio con el cloro:
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Imágenes de Visionlearning |
| Se rompe con facilidad obteniéndose los iones que lo forman, generalmente basta disolver la substancia. |
| Las substancias con enlaces iónicos son solubles en solventes polares. |
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| H2O: una molécula de agua |
| Es muy fuerte y se rompe con dificultad. |
| Si la diferencia de electronegatividades entre los 2 átomos es marcada, tenemos un enlace polar y se favorecerá la solubilidad de la sustancia en solventes polares. Ejemplo: un enlace O-H |
| Si la diferencia de electronegatividad es poca, tenemos un enlace no polar y se favorecerá la solubilidad de la sustancia en solventes no polares. Ejemplo: un enlace C-H o C-C. |
El origen de la palabra átomo proviene del griego y significa indivisible. La concepción de indivisible proviene de la antigüedad cuando se creía que el átomo era el elemento más pequeño que podía existir. Sin embargo, en la actualidad sabemos que el átomo está formado por otras partículas todavía más pequeñas: las partículas sub atómicas.
El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1 y el catión de hidrógeno. En este caso, el hidrógeno-1 no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.
Alrededor del núcleo atómico orbitan los electrones. El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. La masa de un protón es 1836 veces mayor a la masa del electrón. La carga del protón es positiva. El neutrón tiene una masa 1839 veces la masa del electrón. El neutrón tiene una carga eléctrica neutra (ni positiva ni negativa).
El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que son un compuesto de otras partículas llamadas quarks. Las partículas subatómicas constituyen un estado ligado de quarks u y d. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones. Además de estas partículas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.
Un quark es una partícula fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas. Los quarks tienen cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental.
El núcleo atómico es la parte central del átomo que está compuesto por nucleones unidos entre ellos. El nucleón es un componente de partícula subatómica del núcleo, es decir, un protón o un neutrón. El número másico de un átomo es el número de nucleones de su núcleo atómico.
El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico. Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.
Un átomo está constituido por un núcleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.
Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de neutrones: se dice entonces que son isótopos. La acción de enriquecimiento de uranio cosiste en modificar el número de neutrones de un átomo de uranio para obtener un isótopo más inestable para favorecer las reacciones en cadena de fisión nuclear. Ambos números conjuntamente determinan el nucleido.
El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos inestables, como el uranio y el plutonio utilizados como combustible nuclear, sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Mediante una cantidad suficiente de energía, dos o más núcleos pueden fusionarse en otro más pesado, en este caso, se trataría de una reacción de fusión nuclear.
En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.
El electrón es una partícula elemental estable con la carga negativa más pequeña que existe en la naturaleza. Esta carga se denomina carga elemental, ya que cualquier carga eléctrica separable se compone de un número entero de ellas.
Los electrones, de signo negativo, son atraídos por los protones, de signo positivo en el átomo a través de la fuerza electromagnética. Debido a esta fuerza electromagnética es necesario una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.
Los electrones tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo atómico. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.
Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.
Toda la materia viva está compuesta por
Para entender la vida tal como la conocemos, primero debemos entender un poco de química orgánica. Las moléculas orgánicas contienen carbono e hidrógeno básicamente. Mientras que muchos químicos orgánicos también contienen otros elementos, es la unión del carbono - hidrógeno lo que los define como orgánicos.
Algunas de esta moléculas, como los hidratos de carbono, las proteínas y los ácidos nucleicos pueden ser poliméricas. Se denomina polímero a toda macromolécula constituida por la unión de muchas moléculas pequeñas similares, las que reciben el nombre de monómeros. Cuando dos monómeros similares se unen forman un dímero, si son tres un trímero. Hasta diez se lo nombran genéricamente oligómero.
Cada elemento químico está constituido por unidades más pequeñas denominadas átomos. Cada átomo está formado por un núcleo central y 1 o más capas de electrones. Dentro del núcleo residen partículas subatómicas: protones (de carga positiva) y neutrones (partículas del mismo peso, pero sin carga).
El número de protones del núcleo es característico de cada elemento y es llamado número atómico, Ej: Hidrógeno: 1, Carbono: 6, Fósforo : 15. Sin embargo, diferentes átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número de neutrones en el núcleo, llamándose isótopos.
Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas órbitas, los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones, el orbital más externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Debido a su repulsión mutua, solo un determinado número de electrones puede ocupar el espacio cercano al núcleo, la capa más cercana solo puede tener dos electrones, la segunda capa puede tener hasta 8 e- en varios orbitales.
Así como los átomos son las menores partículas de un elemento, una molécula es la menor partícula de un compuesto; consta de dos o más átomos, iguales o diferentes, que se mantienen unidos mediante las interacciones o enlaces de los electrones de las capas mas externas. Los principios básicos de la reactividad atómica son:
En este enlace uno de los átomos toma un electrón de la capa de valencia del otro, quedando el primero con carga negativa por el electrón adicional y el segundo con carga positiva al perderlo; el enlace se debe a una ley de la física ampliamente conocida: los polos opuestos se atraen. Cuando un átomo o molécula tiene carga eléctrica se le conoce como ión, de aquí el nombre.
Por ejemplo un átomo de Cloro al aceptar 1 e- del Sodio queda cargado negativamente, forma el ión Cloruro Cl-, (anión) mientras que el Sodio queda con un electrón menos y forma el catión Na+ (cargado positivamente). Los iones cargados de manera opuesta se atraen entre ellos a través de fuerzas electroestáticas que son la base del enlace iónico, en el ejemplo anterior la sustancia resultante es el Cloruro de Sodio ClNa (sal común).
Características del enlace iónico.
El segundo tipo de enlace atómico ocurre cuando los átomos comparten electrones. Al contrario de los enlaces iónicos en los cuales ocurre una transferencia completa de electrones, el enlace covalente ocurre cuando dos (o más) elementos comparten electrones. Esto ocurre comúnmente cuando dos no metales se enlazan. Ya que ninguno de los elementos que participan en el enlace querrán ganar electrones, estos elementos compartirán electrones para poder llenar sus envolturas de valencia.
La distribución de e- compartidos y no compartidos es lo que determina la estructura tridimensional de las moléculas
Un buen ejemplo de un enlace covalente es el que ocurre entre dos átomos de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno (H) tienen un electrón de valencia en su primera capa. Puesto que la capacidad máxima de esta capa es de dos electrones, cada átomo de hidrógeno "querrá" tomar un segundo electrón. En un esfuerzo por conseguir un segundo electrón, el átomo de hidrógeno reaccionará con átomos H vecinos para formar el compuesto H2. De esta manera, ambos átomos comparten la estabilidad de una envoltura de valencia. Lo mismo ocurre con el oxígeno, solo que tiene un enlace doble, con 2 enlaces covalentes.
En realidad, hay dos sub-tipos de enlaces covalentes. La molécula H2 es un buen ejemplo del primer tipo de enlace covalente: el enlace no polar. Ya que ambos átomos en la molécula H2 tienen una igual atracción (o afinidad) hacia los electrones, los electrones que se enlazan son igualmente compartidos por los dos átomos, y se forma un enlace covalente no polar. Siempre que dos átomos del mismo elemento se enlazan, se forma un enlace no polar . Los enlaces O-O y C-H son no polares.
Los enlaces covalentes son muy fuertes y su estabilidad poco se afecta por la presencia de solventes. Un ejemplo típico de enlace covalente es el enlace Carbono-Carbono que se presenta en gran número de compuestos orgánicos.
En la práctica, los orbitales compartidos no se encuentran repartidos de manera equivalente, ya que los átomos más electronegativos tienden a mantener a los electrones en su cercanía y, por lo tanto, el orbital molecular de enlace presenta mayor volumen en la vecindad del átomo electronegativo. Los enlaces covalentes en los que ambos átomos participantes poseen una electronegatividad semejante (como en los enlaces C-C), no presentan diferencias en la carga electrónica a lo largo de la molécula, por tanto su carga eléctrica es también uniforme y se dice que no poseen polaridad.
Un enlace polar se forma cuando los electrones son desigualmente compartidos entre dos átomos, o difieren en su electronegatividad (poder del átomo en una molécula para atraer electrones). Los enlaces covalentes polares ocurren porque un átomo tiene una mayor afinidad hacia los electrones que el otro (sin embargo, no tanta como para empujar completamente los electrones y formar un ión). En un enlace polar los electrones que se enlazan pasarán un mayor tiempo alrededor del átomo que tiene la mayor afinidad hacia los electrones. Un buen ejemplo del enlace polar covalente es el enlace H-O en la molécula de agua.
Sin embargo, en muchos casos el enlace covalente se forma entre átomos de distinta electronegatividad y en consecuencia los electrones se agrupan más cerca de aquel átomo electronegativo, como consecuencia un lado de la molécula es electrodeficiente (posee carga parcial positiva) y el otro es electrodenso (posee carga parcial negativa). Este tipo de enlaces se designan como enlaces covalentes polares y las moléculas con este desbalance de cargas se designan como dipolares.
Las moléculas de agua contienen dos átomos de hidrógeno (dibujados en azul) enlazados a un átomo de oxígeno (en rojo ). El oxígeno, con seis electrones de valencia, necesita dos electrones adicionales para completar su envoltura de valencia. Cada hidrógeno contiene un electrón. Por consiguiente el oxígeno comparte los electrones de dos átomos de hidrógeno para completar su propia envoltura de valencia, y en cambio, comparte dos de sus propios electrones con cada hidrógeno, completando la envoltura de valencia H.
Características del enlace covalente.
La presencia de cargas parciales sobre los átomos de oxígeno e hidrógeno de la molécula del agua hace posible que entre ellas mismas se formen enlaces débiles debido a la atracción electrostática, llamados puentes de hidrógeno. Dada la estructura de la molécula de agua, se pueden formar hasta 4 puentes de H, dos a través del átomo de Oxígeno y uno por cada átomo de Hidrógeno.
Son interacciones polares y su intensidad es cerca de 5-10% de enlace covalente. En el enlace por puente de hidrógeno los tipos más importantes de fuerzas de atracción son débiles y estos enlaces son los causantes de que el agua sea un líquido a temperatura ambiente en lugar de un gas. Donde existe un hidrógeno unido a un elemento fuertemente electronegativo se establece una unión intermolecular, precisamente entre el H de una molécula y el elemento fuertemente negativo de la otra.
Este enlace se puede establecer además entre el agua y cualquier otra molécula. Si el puente se establece entre dos moléculas diferentes ya sea de la misma o de diferente especie se le denomina enlace intermolecular, por ejemplo la molécula de agua, el ácido fluorhídrico etc.
Si el puente se estable entre dos elementos electronegativos de una misma molécula, el enlace se llama intramolecular, por ejemplo O- hidroxibenzaldehido, O- clorofenol etc.
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