Evolución de los modelos atómicos
El primero en postular la existencia del átomo fue Demócrito en el siglo IV a. C. la palabra átomo significa indivisible, la idea surge intuitivamente, la materia se puede dividir en partes cada vez más pequeñas, pero no indefinidamente, debe haber una partícula mínima que no se puede dividir.
Esta idea fue retomada por Dalton en el siglo XIX, supuso que toda la materia estaba formada por átomos, que estos son indivisibles, no pueden ser creados ni destruidos y que no pueden transformarse unos en otros (por ejemplo un átomo de hierro no puede transformarse en uno de cobre). Además estableció que todo cambio químico consiste en una unión o separación de átomos ejemplo:
Tubo de Rayos Catódicos
Pero existía una duda, ¿estas partículas formaban parte de la materia o eran un fenómeno puramente eléctrico?.
Esta duda se aclaró gracias a otra experiencia realizada por Becquerel quién comprobó que colocando una placa fotográfica dentro de una caja en cuyo interior había un trozo de uranio, esta se velaba debido a una radiación emitida por el uranio, en parte esta radiación se debía a la emisión de electrones, con esto quedaba aclarado que no era un fenómeno puramente eléctrico sino que los electrones formaban parte de la materia, esto modificó la idea que se tenía del átomo, el cual poseía al menos una partícula que se podía separar.
Debido a esto se postuló un posible modelo atómico, el átomo debía estar formado por una masa con carga positiva a la cual estaban adosados los electrones con carga negativa.
Modelo atómico de Thomson
En este modelo entre las cargas positivas y negativas no había una verdadera separación, sino que estaban prácticamente juntas.Este modelo duró poco tiempo, en 1911 Rutherford realizó una experiencia consistente en bombardear una lámina de oro muy delgada con partículas alfa las cuales tienen carga positiva y una gran cantidad de energía por lo que deberían atravesarla sin ni si quiera desviarse, si el átomo fuera como el modelo propuesto por Thomson en el que las cargas estaban uniformemente repartidas la habrían atravesado sin dificultad, pero ocurrió que aunque el 99% de las partículas hacían esto las restantes no.
Experiencia de Rutherford
Para que esto ocurriera las cargas positivas y negativas debían estar separadas y la carga positiva concentrada en un espacio muy pequeño con relación al tamaño del átomo, cuando la partícula alfa chocaba o pasaba cerca de la carga positiva se desviaba o rebotaba, debido al fenómeno de repulsión de cargas de igual signo.
Se postula un modelo en el que existe un núcleo con carga positiva y los electrones con carga negativa giran describiendo órbitas alrededor de este como un diminuto sistema solar.
Modelo atómico
Átomo de Bohr
Si se coloca un prisma frente a una fuente de luz blanca, esta se descompone en forma continua, abarcando todos los colores del espectro desde el rojo, que es el color con menor contenido energético (por eso se lo utiliza en las cabinas de revelado de fotos) hasta el violeta, que es el color con mayor contenido energético (por eso la radiación ultravioleta es dañina).
Pero si este experimento se repite con la luz que proviene de colocar una determinada sustancia o elemento en una llama, la luz que se genera al descomponerla con un prisma no forma un espectro continuo sino que aparece un espectro de rayas muy finas, cada una de las cuales corresponde a una luz de una cierta energía. La emisión de energía se produce cuando los electrones pasan de un nivel energético mayor a uno menor, pero esta energía no es emitida en forma continua sino que está restringida a ciertos valores, está “cuantificada”, la explicación a este fenómeno es que el electrón pasa de un nivel energético a otro en forma discreta (“de a saltos”) y no en forma gradual o continua, hay ciertos niveles posibles (el dinero varía en forma discreta, se puede tener $1 y esta cantidad aumentar a $1,01, aumentó un centavo pero no existe un valor intermedio)
A estos niveles se los numera, el número n, que designa un nivel energético se lo llama número cuántico principal, el menor vale 1, el inmediato superior 2, el siguiente 3 etc., el nivel más bajo corresponde a una posición interna y a medida que aumenta son niveles mas alejados del núcleo.
Espectro contínuo ,luz blanca
Espectro discontínuo, átomo de Hidrógeno
Modelo atómico de Bohr
Actividad 1:a)Indicar cuales son las diferencias fundamentales entre los distintos modelos y en los casos en que es posible relacionar las observaciones con las conclusiones que llevaron a modificar los modelos b) Relacionar el modelo de Bohr con los espectros de emisión que se muestran en el vídeo.
Modelo atómico actual
El átomo está formado fundamentalmente por tres partículas: protones, neutrones y electrones, las dos primeras están en el núcleo por lo que se los llama nucleones, las características de ellas son las siguientes:
Partícula | Carga | Masa relativa |
Protón | Positiva (+1) | 1 |
Neutrón | Neutra | 1 |
Electrón | Negativa (-1) | 1/1837 |
Como se puede apreciar en la tabla, las masas del protón y del neutrón son mucho mayores que la del electrón, por lo que prácticamente toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo aunque el diámetro de este es muy pequeño en relación al diámetro atómico.
Según una clasificación más moderna a los protones y neutrones se los considera hadrones, y están formados por dos tipos de partículas: los up- quarks y los down- quarks, los up-quarks tienen carga eléctrica +2/3 y los down-quarks –1/3.
Un protón esta formado por 2 up-quarks y un down-quark resultando su carga: 2/3+2/3-1/3= 1
Un neutrón por 2 down-quarks y un up-quark resultando su carga: 2/3-1/3-1/3=0.
A los electrones y a otras partículas se los considera leptones.
Con el microscopio explorador se han fotografiado átomos
Número atómico
Cada elemento químico se caracteriza por un nro. atómico que es igual al nro. de protones y como el átomo debe ser eléctricamente neutro, es también igual al nro. de electrones, se acostumbra llamarlo Z
Z = P= e Z= nro. de protones = nro. de electrones
Los elementos en la tabla periódica están ordenados por el nro. atómico.
Número másico:
Se define como nro. másico a la suma de protones y neutrones dado que estas son las partículas con masa significativa, se simboliza con la letra A.
A= P+N A= nro. de protones + nro. de neutrones
Si se observa la tabla periódica el nro. másico no figura en la misma, si la masa atómica pero no es un número entero. Esto se debe a que átomos de un mismo elemento pueden tener distinto nro. másico puesto que pueden tener diferente cantidad de neutrones.
Isótopos
A los átomos de un mismo elemento que difieren en el nro. de neutrones y por lo tanto en el nro. másico se los denomina isótopos (iso significa igual, topo lugar porque ocupan la mima posición en la tabla periódica).
Por ejemplo en el caso del hidrógeno, que es el primer elemento y él más simple, en su forma más abundante el átomo está formado por un protón y un electrón y se lo llama protio. Pero existen también átomos formados por un protón, un neutrón y un electrón, se lo llama deuterio y átomos formados por un protón dos neutrones y un electrón y se lo denomina tritio.
El agua pesada que se utiliza como moderador en los reactores nucleares está formada por átomos de deuterio en lugar de átomos de protio, de allí el nombre puesto que el deuterio es mas pesado que el protio.
Otro ejemplo conocido es el carbono, en su forma más abundante el carbono tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones, es el carbono 12 pero existen isótopos, uno de ellos es el carbono 14 formado por 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones, este isótopo es inestable y tiende a desintegrarse, la proporción de carbono 14 es la misma en todo ser vivo pero en el momento en que un animal o una planta mueren comienza a disminuir, cuanto más tiempo transcurre desde su muerte menor es la proporción que hay en sus restos, esto se utiliza para calcular la antigüedad de los fósiles, papiros y otros objetos arqueológicos.
La masa atómica que figura en la tabla periódica, es un número con decimales, esto surge del promedio ponderado de las masas atómicas de los diferentes isótopos de cada elemento.
La forma en que se simbolizan ambos números es la siguiente:
7Li es un isótopo de un átomo de 6Li, ambos tienen el mismo nro. atómico 3 y distinto nro. másico, 7 y 6 respectivamente, el primero tiene 7-3= 4 neutrones, y el segundo 6-3= 3 neutrones (pero ambos son átomos de litio).
Actividad 2: completar los datos que faltan utilizando la tabla periódica
Elemento | Nro. atómico | Nro. másico | Nro. de protones | Nro. de neutrones | Nro. de electrones |
15 | 31 | ||||
40 | 20 | ||||
11 | 12 | ||||
Ar | 22 | ||||
84 | 36 |
Distribución electrónica y tabla periódica (ver)
En el modelo atómico moderno se abandona la idea de órbita que es una trayectoria definida y predecible del electrón y se reemplaza por concepto de orbital, el orbital es una zona donde es máxima la probabilidad de encontrar al electrón.
Nube electrónica de un átomo de Nube electrónica de un átomo de
Hidrógeno o helio 1er. orbital s litio o berilio 1ro. y 2do. orbitales s
Los orbitales p son bilobulados, está formados por un total de seis lóbulos, ubicados en tres ejes x, y, z por los que se los denomina px, py y pz, en cada eje hay dos lóbulos que pueden alojar como máximo dos electrones, o sea que en total puede haber seis.
Orbitales p
Si se observa la tabla periódica se ve que en el 2do. y 3er. período hay 8 elementos, esto se debe a que los electrones ocupan los orbitales s y p.
Existen dos orbitales más, el orbital d que puede alojar un máximo de 10 electrones y el orbital f que puede alojar hasta 14.
Como ya se vio en el átomo de Bohr existen niveles que se los numera con el nro. n a estos niveles también se los llama capas de electrones y la cantidad de capas va aumentando a medida que aumenta el nro. atómico de los elementos, esto debe ser así para que se vayan alojando los electrones, las capas más cercanas al núcleo alojan menos electrones y al alejarse del núcleo aumenta la cantidad que pueden alojar.
Las capas se nombran con las letras mayúsculas: K, L, M, N, O, P, Q.
Lógicamente las capas están formadas por orbitales.
Como ya se vio a cada capa le corresponde un nro. cuántico n, y la cantidad de electrones que puede alojar como máximo cada capa esta relacionada con este por la expresión 2n2.
Capa | Nro. cuántico principal | Nro. máximo de electrones (2n2) |
K | 1 | 2 |
L | 2 | 8 |
M | 3 | 18 |
N | 4 | 32 |
O | 5 |
En la capa O debería haber 50 electrones, pero esto no ocurre por que no se llega a este valor con los elementos conocidos hasta ahora, por lo que no se alcanza a completar, lo mismo ocurre para las capas siguientes
Distribución de capas alrededor del núcleo
El nro. dé período coincide con el nro. de capas de electrones que tiene el átomo de un elemento perteneciente al mismo, por eso existen tantos períodos como capas (siete).
Grupos en la tabla periódica
El científico ruso Mendeleiev fue el creador de la tabla periódica, por lo que también se la llama tabla de Mendeleiev, al ordenar los elementos (inicialmente lo hizo por peso atómico, posteriormente se los ordenó por nro. atómico), observó que periódicamente las propiedades físicas y químicas de los mismos se repetían, por lo que los colocó en un mismo grupo (columna).
Por ejemplo los elementos del grupo 1 metales alcalinos reaccionan rápidamente, tanto es así que suele guardárselos en recipientes sumergidos en aceite para que no reaccionen con el oxígeno del aire, los elementos del grupo 18, gases nobles o inertes, no reaccionan químicamente, estas propiedades están estrechamente relacionadas con la configuración electrónica de la última capa, es lógico que los electrones externos son los que entran en contacto con los átomos que los rodean y por lo tanto determinan en gran parte como se va a comportar un átomo.
A partir del tercer período de la tabla periódica en la parte central se encuentran los llamados elementos de transición, o del bloque d, en estos elementos, que son metales, los electrones se van incorporando en general en la penúltima capa.
En la parte inferior de la tabla se encuentran los elementos de transición interna, lantanoides y actinoides, en estos casos los electrones se van incorporando en la mayoría de los casos en la antepenúltima capa
Actividad 3:
Explicar porque en el 2do. y 3er. período de la tabla periódica hay 8 elementos
Buscar alguna característica o uso que sea común a varios elementos del grupo 17, halógenos
Encontrar dentro de los metales de transición un grupo en el cual es muy evidente que tienen propiedades físicas similares
