Download átomos

Los Átomos
• La diversidad de materiales
presentes en la naturaleza y
sus diferentes propiedades
han llevado al ser humano a
buscar una explicación que lo
lleve a conocimiento y
comprensión de la naturaleza
de la materia y su estructura.
• Se hace entonces necesario
pasar de una visión
macroscópica a una visión
microscópica del mundo
material. Para esto el ser
humano ha recurrido a
modelos mentales simples
para explicar la estructura
interna de la materia.
Los Átomos
• En la actualidad conocemos
mucho de la estructura y
propiedades de los átomos; pero,
¿Cómo se ha llegado a este
conocimiento?. Imaginemos que
tenemos una caja con objetos
distintos, pero que no se nos
permite abrirla; ¿Qué harías para
saber su contenido?.
Posiblemente realizarías una serie
de pruebas como agitar la caja de
diferentes formas, escuchar los
sonidos que se generan al
moverla, levantarla para sentir si
hay objetos pesados o livianos,
etc. A partir de estas acciones
tendrás una idea del contenido
de la caja y seguramente te
atreverías a precisar el nombre
de algunos objetos en su interior
e incluso hacer predicciones del
comportamiento de la caja.
Los Átomos
•
•
Al igual que la caja, puesto que no podemos ver el interior de los átomos, lo que
hacemos es emplear nuestro sentidos y herramientas para crear un modelo, que
explique el comportamiento de los mismos
Los modelos científicos son ideas o representaciones que intentan explicar los
fenómenos observados. Un modelo se puede perfeccionar, cambiar o desechar si
ya no cumple la función para lo que fue propuesto. Desde tiempos antiguos se ha
propuesto un modelo de partículas (modelos atómicos) para explicar la
estructura de la materia. Este modelo se ha ido identificando y modificando en la
medida que el conocimiento científico ha avanzado.
Los Átomos
• Cinco siglos antes de Cristo, los
filósofos griegos se
preguntaban si la materia
podía ser dividida
indefinidamente o si llegaría a
un punto, que tales partículas,
fueran indivisibles. Basados en
razonamientos lógicos,
Leucipo (450 a. C.) y su
discípulo Demócrito (460-370
a. C.) propusieron que la
materia estaba formada por
pequeñas partículas
indivisibles a las que llamaron
“átomos”.
Los Átomos






La teoría atomística de Demócrito y
Leucipo dice así:
Toda la materia existente en el
Universo esta formada por átomos
sólidos.
Entre los átomos existe sólo vacío.
Los átomos son eternos, indivisibles,
e invisibles.
Los átomos de diferentes cuerpos
difieren entre sí, por su forma,
tamaño y distribución geométrica.
Las propiedades de la materia varían
según el agrupamiento de los
átomos.
Los átomos se diferencian en su
forma y tamaño
Esta teoría, al igual que todas las
teorías filosóficas griegas, no apoya
sus postulados mediante
experimentos, sino que se explica
mediante razonamientos lógicos.
Los Átomos
•
Debido a la falta de pruebas
experimentales, la idea de átomo fue
desaparecida durante los 2000 años
siguientes. El desarrollo de la química
tomó un nuevo giro a partir de las
investigaciones de Antoine Lavoisier
(1743-1794), quien realizó los
primeros experimentos químicos
realmente cuantitativos. Lavoisier
demostró que en una reacción
química la cantidad de materia es la
misma al comienzo y final de la
reacción. A partir de los resultados de
sus experimentos enunció la ley
conocida como “ley de la
conservación de la materia”, la cual
establece: “la materia no se crea ni
se destruye, sólo se transforma”. Por
lo anterior, Lavoisier es considerado
padre de la química moderna.
Los Átomos
•
•
Posteriormente, Joseph Proust (1754-1826),
químico francés, a través de sus experimentos
concluyó la composición de una sustancia pura
es siempre la misma, independientemente del
modo en que se haya preparado o de su lugar
de procedencia en la naturaleza. Así, por
ejemplo, el agua pura contiene siempre un
11,2% de hidrógeno y un 88,8% de oxígeno.
Según esto, para obtener en el laboratorio 100
gramos de agua pura hay que hacer reaccionar
las cantidades mencionadas. Este hecho,
comprobado en cientos de compuestos, se
conoce como la “ley de las proporciones
definidas” y se puede enunciar de dos formas:
a) “Cuando dos o más elementos químicos se
combinan para formar un determinado
compuesto, lo hacen según una relación
constante entre sus masas”.
b) “Cuando un determinado compuesto se
separa en sus elementos, las masas de éstos se
encuentran en una relación constante que es
independiente de cómo se haya preparado el
compuesto, de si se ha obtenido en el
laboratorio o de su procedencia”.
Las consecuencias de esta ley son importantes
para la química, no sólo como método para
identificar un compuesto, sino también para
conocer las cantidades de las sustancias que
reaccionan entre sí.
Los Átomos
•
•
John Dalton (1766-1844), químico y físico británico, comprobó en el laboratorio que, al hacer reaccionar
cobre con oxígeno en diferentes condiciones, se obtenían dos óxidos de cobre diferentes que,
dependiendo de las condiciones, podían combinarse de forma distinta, pero que sus masas siempre
estaban en una relación de números enteros.
Llegó a la misma conclusión con otros experimentos realizados en el laboratorio y propuso una tercera
ley denominada “ley de las proporciones múltiples”, cuyo enunciado puede ser de dos formas:
a) “Los elementos se pueden combinar en más de una proporción, y cada conjunto corresponde a un
compuesto diferente”.
las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro para formar varios
compuestos, están en una relación de números enteros sencillos 1:1, 2:1, 1:2, 1:3, 3:1, 2:3, 5:3, etcétera.
En el dibujo, se puede observar que un átomo de oxígeno se puede combinar con un átomo de cobre
para para formar un óxido de cubre o bien, con dos átomos de cubre para formar otro óxido de cobre
con características totalmente distintas al primero.
Los Átomos
• Con la información obtenida
de las tres leyes anteriores, a
principios del siglo XIX (1803),
John Dalton propone un
nuevo modelo sobre la
estructura de la materia.
Según Dalton toda la materia
se podía dividir en dos grandes
grupos: los elementos y los
compuestos. Los elementos
estarían constituidos por
unidades fundamentales, que
en honor a Demócrito, Dalton
denominó átomos. Los
compuestos estarían formados
de moléculas, cuya estructura
viene dada por la unión de
átomos en proporciones
definidas y constantes.
Los Átomos
•




Al modelo atómico de Dalton se le
considera como la primera teoría
moderna del átomo, que postula lo
siguiente:
La materia está formada por
pequeñas partículas rígidas, esféricas
e indivisibles llamadas átomos.
Los átomos son iguales para un
mismo elemento pero diferentes
para otros, tanto en forma, tamaño y
masa como en propiedades.
Los átomos no se crean ni se
destruyen ni se transforman en otros
tipos de átomos durante las
reacciones químicas, sino
simplemente se reordenan.
Los átomos se pueden combinar
para formar moléculas de dos o más
átomos y siempre lo hacen en
proporciones fijas de números
enteros positivos.
Los Átomos
• Con su teoría del átomo, Dalton
hizo referencia a las leyes
anteriormente descritas, y
estableció una diferencia entre
los compuestos formados por un
solo elemento y los formados por
dos o más elementos diferentes,
a los que llamó moléculas. Esta
teoría ayudó a explicar el
comportamiento de la materia en
diversas situaciones,
conjuntamente con algunos
hechos experimentales.
• La teoría atómica de Dalton
presentaba algunas
imprecisiones, pues hoy sabemos
que el átomo si se puede dividir, y
existen elementos iguales, pero
con masa distinta; Por ello,
Dalton no llegó a presentar una
propuesta clara de la estructura
del átomo.
Los Átomos
• A pesar de que la teoría de
Dalton era errónea en varios
aspectos, significó un avance
cualitativo importante en el
camino de la comprensión de
la estructura de la materia.
Por supuesto que la
aceptación del modelo de
Dalton no fue inmediata,
muchos científicos se
resistieron durante muchos
años a reconocer la existencia
de dichas partículas (átomos).
Debido a que John Dalton no
elaboró ninguna hipótesis
acerca de la estructura de los
átomos, hubo que esperar casi
un siglo para que alguien
expusiera un nuevo modelo
acerca de la estructura de la
materia.
Los Átomos
• Otros científicos después de John
Dalton realizaron investigaciones
sobre la estructura del átomo,
que han permitido descubrir,
hasta el día de hoy, más de 30
partículas más pequeñas que el
átomo, de las cuales las tres más
importantes son: el protón,
electrón y neutrón.
• La primer partícula más pequeña
que el átomo fue descubierta por
Eugen Goldstein (1850-1930) en
el año de 1886. Utilizando un
tubo de rayos catódicos (ver
figura) Goldstein observó que
había rayos que se desviaban
hacia el polo negativo del tubo
(cátodo), concluyendo que eran
partículas con carga eléctrica
positiva, a las que más tarde se
les denominó “protones”.
Los Átomos
• En el año de 1897, J.J. Thomson
(1856-1940) perfeccionó el tubo
de rayos catódicos y con el
descubrió que el átomo, además
del protón (carga eléctrica
positiva), poseía unas partículas
con carga eléctrica negativa, de
masa mucho más pequeña de la
del protón pero de igual carga
eléctrica, a las que llamó
electrones; lo que lo llevó a
concluir que el átomo es
eléctricamente neutro, por la
igualdad entre la magnitud de las
cargas eléctricas del protón y el
electrón, pero uno positivo y el
otro negativo.
• tomando en cuenta su
descubrimiento, J.J. Thomson
sugiere un modelo atómico que
tomaba en cuenta la existencia
del electrón.
Los Átomos
• Su modelo atómico suponía lo siguiente:
 Los electrones estaban en reposo dentro
del átomo y que el conjunto era
eléctricamente neutro.
 Una nube positiva que contenía las
pequeñas partículas negativas (los
electrones) suspendidos en ella. Lo
anterior era con la intención de explicar la
formación de iones, positivos y negativos,
y la presencia de los electrones dentro de
la estructura atómica. La propuesta de J.J.
Thomson era algo similar a un pastel con
pasas donde el pastel es la nube positiva
y las pasas son los electrones.
 El número de cargas negativas era el
adecuado para neutralizar la carga
positiva.
 En el caso de que el átomo perdiera un
electrón, la estructura quedaría positiva;
y si ganaba, la carga final sería negativa.
De esta forma, explicaba la formación de
iones; pero dejó sin explicación la
existencia de las otras radiaciones.
Los Átomos
•
• El modelo de J.J. Thomson
fue el primer modelo
atómico para explicar la
naturaleza eléctrica de la
materia. Con este modelo
se podían explicar una gran
cantidad de fenómenos
atómicos conocidos hasta la
fecha; por ejemplo, se logró
explicar por qué los átomos
sólo podían emitir
partículas negativas y no
positivas.
Los Átomos
• Hasta el momento conocemos dos
partículas que forman parte del
átomo: los protones con carga
eléctrica positiva y los electrones
con carga eléctrica negativa.
• En 1895, Wilhelm Roentgen (18451923) trabajando con diversas
sustancias y utilizando también un
tubo de rayos catódicos, descubrió
una nueva clase de rayos. Para
observar mejor los nuevos rayos,
cubrió el tubo de rayos catódicos
con un cartón; accidentalmente
interpuso su mano entre el tubo y
el cartón y pudo ver su mano
reflejada en el cartón. Roentgen no
tuvo idea de la naturaleza de los
rayos que acababa de descubrir y
los llamó rayos X, los cuales tienen
la capacidad de traspasar el papel,
la madera, la carne, etc.,
provocando la impresión de placas
fotográficas.
Los Átomos
•
Este acontecimiento marcó una nueva era en la historia del hombre. Los rayos X
vinieron a revolucionar la medicina, ya que con ellos, hoy en día, tenemos
oportunidad de conocer las fracturas de los huesos, la detección de tumores y
otros padecimientos. También son utilizados en los aeropuertos para detectar la
presencia de metales, principalmente armas, en la industria de la construcción
para detectar fallas en las estructuras metálicas de los edificios, etc. Su
descubrimiento ha sido de mucho beneficio para la humanidad y lo más curioso
es que Roentgen nunca patento su hallazgo y murió en la miseria.
Los Átomos
•
Poco después de Roentgen Henry
Becquerel (1852-1908), físico francés,
comenzó a investigar algunos
elementos que tenían la capacidad
de emitir rayos X. Para ello utilizaba
placas fotográficas envueltas en
papel negro para evitar que la luz
solar las velara. En cierta ocasión, de
manera accidental, dejó las placas
fotográficas (en ausencia de luz solar)
junto a un mineral llamado
pechblenda, mineral que contiene
uranio, días después, cuando fue a
utilizar las placas, encontró que
estaban veladas, lo que explicaba que
el mineral pechblenda emitía una
radiación de tipo desconocida; de
esta manera tan fortuita fue
descubierta la radiactividad. Estudios
posteriores de los esposos Curie
(Marie y Pierre) demostraron que la
radiactividad no era el resultado de
una reacción química, sino una
propiedad elemental de ciertos
átomos.
Los Átomos
•
•
En 1909, Ernest Rutherford (18711937), físico y químico de Nueva
Zelanda estudió las emisiones
radioactivas descubiertas por Henry
Becquerel, descubriendo que existían
al menos dos tipos de ellas, una que
era fácilmente absorbida por los
materiales a la que llamó rayos alfa, y
la otra de naturaleza más penetrante
llamándolas rayos beta. En 1914,
descubre una tercera radiación a la que
llamó rayos gamma, aún más
penetrante que las dos anteriores;
además, encontró que la radiactividad
iba acompañada por una
desintegración de los elementos.
En 1911, Rutherford y sus
colaboradores, realizaron un
experimento bombardeando una
finísima lámina de oro con partículas
alfa con el fin de explorar el interior del
átomo.
Los Átomos
• Para ello construyeron un
aparato (ver figura) donde
partículas (rayos alfa) con carga
eléctrica positiva se dirigen hacia
una muy delgada lámina de oro
que en la parte posterior tenía
una pantalla luminiscente para
detectar las partículas que la
atravesaran. Los resultados
fueron reveladores, la mayoría de
las partículas atravesó la lámina
de oro, pero sólo unas pocas se
desviaron de su trayectoria;
inclusive, algunas de ellas se
desviaron totalmente hacia atrás.
Estos hechos hicieron suponer a
Rutherford que los rayos alfa
habían chocado con algo muy
denso y que ocupa un espacio
muy pequeño en comparación
con el tamaño del átomo. Esta
parte tan pequeña del átomo fue
llamada núcleo.
Los Átomos
•
Los experimentos llevados a cabo
Ernest Rutherford evidenciaron las
deficiencias del modelo atómico de
J.J. Thomson; este hecho llevó a
Rutherford a postular lo siguiente:
a) “Los átomos poseen un centro de
carga positiva llamado núcleo
atómico, en el cual se concentra la
mayor parte de la masa del átomo y
donde se encuentran los protones”.
b) los electrones se mueven en
órbitas alrededor del núcleo dejando
espacios vacíos relativamente
grandes y formando una nube
electrónica.
c) La carga negativa de los electrones
contrarresta la carga positiva del
núcleo, por lo que el átomo es
eléctricamente neutro”.
Los Átomos
• Con el modelo de Rutherford
que propone la existencia de
dos cargas (los protones
ubicados en el núcleo del
átomo y que concentra casi
toda la masa, y los electrones
ubicados alrededor del núcleo,
formando una nube
electrónica y ocupando el
mayor volumen del átomo) se
pueden explicar algunos
fenómenos como los de
electrización de la materia,
pero todavía faltaba una pieza
en el rompecabezas para tener
completa la estructura del
átomo, ya que ciertos hechos
experimentales demostraban
que hacía falta algo más que
protones y electrones.
Los Átomos
• Dos físicos alemanes, Bother y
Becker, en 1930 informaron que
habían liberado del núcleo
atómico una misteriosa radiación,
bombardeando átomos de berilio
con partículas alfa. Dos años
después James Chadwick, por
medio de una serie de
experimentos demostró que las
radiaciones descubiertas por
Bother y Becker se trataba de
partículas, de naturaleza muy
penetrante, que tenían una masa
mas o menos igual a la masa del
protón, que carecían de carga
eléctrica y que se encontraban en
el núcleo de los átomos. A esta
nueva partícula se le denominó
neutrón.
Los Átomos
• El modelo de Rutherford
suponía que los electrones se
encontraban girando
alrededor del núcleo atómico
como los planetas giran
alrededor del Sol. En su
modelo Rutherford no
explicaba por que si en el
núcleo está concentrada la
mayor parte de la masa del
átomo y tiene carga positiva,
los electrones, con carga
eléctrica negativa, no caían
hacia el núcleo atraídos por la
fuerza electrostática entre
ambas partículas, al igual que
los cuerpos caen hacia la
Tierra atraídos por la fuerza
gravitatoria.
Los Átomos
• Niels Bohr (1885-1962), físico
danés, propuso un nuevo modelo
de la estructura atómica que
superaba las dificultades del
átomo de Rutherford. Bohr, en el
año de 1913, desarrolló una
hipótesis conocida como “teoría
atómica de Bohr” que implicaba
los siguientes postulados:
a) El átomo consta de un núcleo
en el que esta localizada toda la
carga eléctrica positiva del átomo
y casi toda su masa.
b) Los electrones giran, alrededor
del núcleo, en orbitas circulares
estacionarias sin emitir energía,
de forma que la fuerza centrífuga
equilibra la fuerza de atracción
electrostática.
Los Átomos
c) El electrón no puede girar alrededor del núcleo en cualquier orbita, solo puede
hacerlo en aquellas a una distancia definida del núcleo. A estas órbitas se les denomina
“niveles cuánticos o niveles de energía” y están ubicadas a una distancia considerable
del núcleo y a la disposición de los electrones alrededor del núcleo se le denomina
“configuración electrónica”.
•
•
Los Átomos
Las órbitas electrónicas (niveles cuánticos) se superponen de forma regular hasta
un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número
de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en
la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener
cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la
séptima capa llena. Los "últimos" electrones, los más externos de la estructura del
átomo, determinan el comportamiento químico del mismo.
En el dibujo se pueden ver los 7 niveles de energía y sus respectivos nombres
(primer nivel K, segundo nivel L, tercer……) y el número de electrones que cada
nivel puede albergar. Observe que el último nivel (7) puede albergar como máximo
8 electrones.
Los Átomos
•
•
d) Cuando el electrón se mueve en una determinada orbita no radia energía, solo lo
hace cuando cambia de orbita. Si pasa de una orbita externa a otra mas interna
emite energía y la absorbe cuando pasa de una orbita interna a otra mas externa.
La energía es emitida en paquetes, y a cada paquete se le denomina “fotón”; lo que
quiere decir que, cada vez que un electrón brinque de una órbita a la órbita
siguiente, ya sea interior o exterior, emite o absorbe un fotón de energía.
Los Átomos
•
Los átomos de gases calientes emiten y absorben
luz a ciertas longitudes de onda. En el gráfico de
arriba, se muestran tres espectros de emisión y
uno de absorción.
• La concordancia entre la
información teórica
proporcionada por el
modelo atómico de
Niels Bohr y la
información obtenida
experimentalmente con
los espectros de luz de
diferentes átomos,
significó un éxito
rotundo para Bohr y su
modelo atómico.