El átomo es un constituyente de la materia ordinaria, con propiedades químicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes más elementales sin propiedades químicas bien definidas. Cada elemento químico está formado por átomos del mismo tipo (con la misma estructura electrónica básica), y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Actualmente se conoce que el átomo está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se había pensado que los átomos eran indivisibles, de ahí su nombre a-tómo- 'sin división'. Poco después se descubrió que también el núcleo está formado por partes, como los protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética.
Los átomos se clasifican de acuerdo al número de protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones determina su isótopo. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.
Los filósofos griegos discutieron mucho
acerca de la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más
simple de lo que parecía. Algunas de sus ideas de mayor relevancia fueron:
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En el siglo V a.
C., Leucipo sostenía que había un sólo tipo de materia y pensaba que si
dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, obtendríamos un
trozo que no se podría cortar más. Demócrito llamó a estos trozos átomos
("sin división").
La filosofía
atomista de Leucipo y Demócrito podía resumirse en:
1.- Los átomos
son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles.
2.- Los átomos se
diferencian en su forma y tamaño.
3.- Las
propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los átomos.
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En el siglo IV a.
C., Empédocles postuló que la materia estaba formada por 4 elementos:
tierra, aire, agua y fuego.
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Aristóteles,
posteriormente, postula que la materia estaba formada por esos 4
elementos pero niega la idea de átomo, hecho que se mantuvo hasta 200
años después en el pensamiento de la humanidad.
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1.1.- La teoría atómica de Dalton
En 1808,
John
Dalton publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas
de Leucipo y de Demócrito. Según la teoría de Dalton:
1.- Los elementos
están formados por partículas diminutas, indivisibles e inalterables
llamadas átomos.
Dalton estableció un
sistema para designar a cada átomo de forma que se pudieran distinguir entre
los distintos elementos:
2.- Los átomos de un
mismo elemento son todos iguales entre sí en masa, tamaño y en el resto de
las propiedades físicas o químicas. Por el contrario, los átomos de
elementos diferentes tienen distinta masa y propiedades.
3.- Los compuestos se
forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos según una
relación numérica sencilla y constante.
De la teoría atómica
de Dalton se pueden obtener las siguientes definiciones:
- Un átomo es
la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades.
- Un elemento
es una sustancia pura que está formada por átomos iguales.
- Un compuesto
es una sustancia que está formada por átomos distintos combinados en una
relación numérica sencilla y constante.
Una vez aceptada la
teoría atómica de la materia, los fenómenos de electrización y electrólisis
pusieron de manifiesto, por un lado, la naturaleza eléctrica de la materia
y, por otro, que el átomo era divisible; es decir, que estaba formado por
otras partículas fundamentales más pequeñas.
En esta
página puedes ver ejemplos sobre fenómenos de electrización.
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Los fenómenos
eléctricos son una manifestación de su carga eléctrica. La unidad de
carga eléctrica en el SI es el culombio (C).
Hay 2 tipos de cargas
eléctricas: positiva y negativa. dos cuerpos que hayan
adquirido una carga del mismo tipo se repelen, mientras que si poseen carga
de distinto tipo se atraen.
La materia es
eléctricamente neutra, es decir, tiene la misma cantidad de cada tipo de
carga. cuando adquiere carga, tanto positiva como negativa, es porque tiene
más cantidad de un tipo que de otro.
A finales del siglo
XIX y principios del XX, una serie de experimentos permitieron identificar
las partículas responsables de la carga negativa (el electrón) y de
la carga positiva (el protón). Estos experimentos proporcionaron los
datos siguientes sobre la estructura de la materia:
- El átomo contiene
partículas materiales subatómicas.
- Los electrones
tienen carga eléctrica negativa y masa. Cada electrón posee una carga
eléctrica elemental.
- Los protones tienen
carga eléctrica positiva y mayor masa.
- Como el átomo es
eléctricamente neutro, hay que suponer que el número de cargas eléctricas
negativas (electrones) es igual al número de cargas positivas (protones).
En Ciencia, un modelo intenta explicar
una teoría mediante una comparación. Un modelo será tanto más perfecto
cuanto más claramente explique los hechos experimentales. El modelo es
válido mientras explica lo que ocurre en los experimentos; en el momento en
que falla, hay que modificarlo.
3.1.- Modelo atómico de Thomson
Por ser tan pequeña la masa de los
electrones, el físico inglés
J. J. Thomson supuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del átomo
correspondía a la carga positiva, que, por tanto, debía ocupar la mayor
parte del volumen atómico. Thomson imaginó el átomo como una especie de
esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones
(como las pasas en un pudin).
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Este modelo permitía explicar varios
fenómenos experimentales como la electrización y la formación de iones.
- La electrización: Es el exceso
o la deficiencia de electrones que tiene un cuerpo y es la responsable de su
carga eléctrica negativa o positiva.
- La formación de iones: Un ion
es un átomo que ha ganado o ha perdido electrones. Si gana electrones tiene
carga neta negativa y se llama anión y si pierde electrones tiene
carga neta positiva y se llama catión.
3.2.- Modelo atómico de Rutherford
El modelo de Thomson tuvo una gran
aceptación hasta que, en 1911, el químico y físico inglés
Ernest Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo el "Experimento de
Rutherford".
En esta
página puedes ver cómo este experimento ofrecía unos resultados que no
podían explicarse con el modelo de átomo que había propuesto Thomson y, por
tanto, había que cambiar el modelo.
En el experimento se bombardeaba una
fina lámina de oro con partículas alfa (positivas) procedentes de un
material radiactivo y se observaba que:
- La mayor parte de las partículas alfa
atravesaban la lámina sin cambiar de dirección, como era de esperar.
- Algunas partículas alfa se
desviaron considerablemente.
- Unas pocas partículas alfa
rebotaron hacia la fuente de emisión.
Puedes ver el experimento en este
vídeo.
Aquí tienes otra versión interactiva del mismo experimento.
El Modelo atómico de Rutherford o
modelo nuclear establece que:
- El átomo tiene un núcleo central en el
que están concentradas la carga positiva y casi toda la masa.
- La carga positiva de los protones del
núcleo se encuentra compensada por la carga negativa de los electrones, que
están fuera del núcleo.
- El núcleo contiene, por tanto,
protones en un número igual al de electrones del átomo.
- Los electrones giran a mucha velocidad
alrededor del núcleo y están separados de éste por una gran distancia.
3.3.- Los neutrones
La masa de protones y electrones no
coincidía con la masa total del átomo; por tanto, Rutherford supuso que
tenía que haber otro tipo de partículas subatómicas en el núcleo de los
átomos.
Estas partículas fueron descubiertas en
1933 por J. Chadwick. Al no tener carga eléctrica recibieron el nombre de
neutrones.
Los neutrones son partículas sin carga y
de masa algo mayor que la masa de un protón.
3.4.- Estructura del átomo
Según esto, el átomo quedó constituido
así:
- 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 los neutrones.
- Una zona externa o CORTEZA
donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.
Hay los mismos electrones en la corteza
que protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es
eléctricamente neutro.
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Los átomos se
identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es
fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos
de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno
tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26
protones en su núcleo, ..., y esto permite clasificarlos en la tabla
periódica por orden creciente de este número de protones.
Número atómico:
Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se
escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento:
ZX.
Ejemplos:
1H,
8O,
26Fe.
Número másico:
Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se
representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del
símbolo del elemento: AX.
Ejemplos:
1H,
8O,
26Fe.
De esta manera se
pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:
31H
-----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2
neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.
Si tenemos un ion
habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese
neutro.
- Si es un catión
habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la
carga positiva:
2512Mg+2
-----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 -
12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que
tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.
- Si es un anión
habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga
negativa:
199F-1
-----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones,
19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que
tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.
Aquí puedes
introducir Z, A y la carga (con su signo) para un átomo determinado y
obtendrás el número de partículas que tiene:
4.1.- Isótopos
A comienzos del siglo XX se descubrió
que no todos los átomos de un mismo elemento tenían la misma masa. Es decir,
el número de neutrones puede variar para átomos del mismo elemento.
Los isótopos son átomos de un
mismo elemento que tienen igual número atómico, pero distintos números
másicos. Es decir, tienen el mismo número de protones pero distinto número
de neutrones.
Ejemplo: El elemento hidrógeno, cuyo
número atómico es 1 (es decir, que posee un protón en el núcleo), tiene 3
isótopos en cuyos núcleos existen 0, 1 y 2 neutrones, respectivamente.
En
esta página puedes consultar más información sobre isótopos.
La masa atómica
relativa de un elemento es la que corresponde a uno de sus átomos y equivale
prácticamente a la suma de las masas de sus protones y neutrones, ya que la
de los electrones es tan pequeña que puede despreciarse. Así, la mayor parte
de la masa del átomo se encuentra en el núcleo.
Como la unidad de
masa en el SI, el kilogramo, es demasiado grande se ha buscado una unidad
del tamaño de los átomos de la siguiente forma:
- Se ha escogido el
átomo de carbono-12 (12C) como átomo de referencia.
- Se le ha asignado
una masa de 12 u.m.a. (unidades de masa atómica), ya que tiene 6 protones y
6 neutrones.
- La unidad de masa
atómica (uma) es la 1/12 parte de la masa del átomo de carbono-12.
La masa de un átomo
medida por comparación con la masa del carbono-12 se llama masa atómica.
Se encuentra recogida en la tabla periódica su valor para cada elemento.
En esta
página puedes ver las masas atómicas (en uma) de todos los elementos de
la tabla periódica.
5.1.- Isótopos y masa atómica
Como hemos visto, no
todos los átomos de un mismo elemento son exactamente iguales. La mayoría de
los elementos tienen diferentes isótopos y esto hay que tenerlo en cuenta
para calcular la masa atómica.
La masa atómica de un
elemento es la
media ponderada de sus isótopos (Por eso, la masa atómica de un
elemento no es un número entero).
Ejemplo: El cloro
tiene 2 isótopos, 3517Cl y
3717Cl,
que se presentan en la naturaleza con una abundancia del 75,5 % y del 24,5
%, respectivamente.
La masa atómica
del cloro será la media ponderada: 35 · 75,5/100 + 37 · 24,5/100 = 35,5 uma.
El modelo atómico de
Rutherford era incapaz de explicar ciertos hechos:
- La carga negativa
del electrón en movimiento iría perdiendo energía hasta caer contra el
núcleo y esto haría que los átomos fuesen inestables.
- Al hacer pasar
radiación visible por un prisma, la luz se descompone en los colores del
arco iris, esto se conoce como espectro continuo de la luz visible:
Pues bien, la luz que
emiten los átomos de los elementos dan lugar a espectros discontínuos:
El hecho de que cada
átomo tenga un espectro de rayas distinto y discontinuo debe estar
relacionado con su estructura. Esto no se podía explicar con el modelo de
Rutherford.
6.1.- El modelo atómico de
Bohr
Para solucionar los
problemas planteados, el físico danés
Niels Bohr
formuló, en 1913, una hipótesis sobre la estructura atómica. Sus postulados
eran:
1) El electrón sólo
se mueve en unas órbitas circulares "permitidas" (estables) en las
que no emite energía. El electrón tiene en cada órbita una determinada
energía, que es tanto mayor cuanto más alejada esté la órbita del núcleo.
2) La emisión de
energía se produce cuando un electrón salta desde un estado inicial de mayor
energía hasta otro de menor energía.
6.2.- La distribución de
electrones
Con el modelo atómico
de Bohr sólo se podía explicar el espectro del átomo de hidrógeno. Hacia
1920 se introdujeron modificaciones y se desarrollaron nuevos modelos
atómicos.
De acuerdo con este
nuevo modelo, alrededor del núcleo hay capas o niveles de energía:
- En la primera
capa se sitúan, como máximo, 2 electrones.
- En la segunda
capa se sitúan, como máximo, 8 electrones.
- En la tercera
capa se sitúan, como máximo, 18 electrones.
...
La distribución por
capas de los electrones de un átomo de un elemento se conoce como
estructura o configuración electrónica del elemento.
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Ejemplos:
2He Tiene sólo 2
electrones. Se sitúan en la primera capa. Se representa como (2). Las
capas se colocan entre paréntesis y se separan por comas.
10Ne
-> (2,8)
18Ar
-> (2,8,8)
11Na
-> (2,8,1)
15P
-> (2,8,5)
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A los electrones que
están situados en la última capa se les denomina electrones de valencia
y, al nivel que ocupan, capa de valencia. Estos electrones son los
responsables de las propiedades químicas de las sustancias.
