Estructura de los atomos, partículas subatómicas y fundamentales
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Al pensar en la estructura de los atomos inmediatamente nuestro cerebro establece una relación con el modelo atómico de Dalton o teoría atómica de Dalton. La cual allanó el camino para el estudio de la estequiometria de composición y la estequiometria de reacciones. Sin embargo, el principio atómico de Dalton no deja del todo claro las respuestas a preguntas como:
¿Por qué los átomos se combinan para formar compuestos?
¿Por qué estos se combinan en proporción numérica sencilla?
¿Por qué se observan ciertas proporciones numéricas de los átomos en los compuestos?
¿Por qué elementos diferentes poseen propiedades distintas?
¿Por los elementos son gaseosos, líquidos, sólidos, metales, no metales y así sucesivamente?
¿Por qué algunos grupos de elementos tienen propiedades semejantes y forman compuestos con fórmulas similares?
Como ves, son muchas preguntas que con la comprensión adecuada del tema podemos dar con la respuesta. Eso haremos a medida que avancemos en la lectura de esta publicación orientada a la estructura de los atomos o estructura atómica. Trataremos de tocar todos los puntos de máximo interés para favorecer tu aprendizaje y desarrollo académico.
Dos tipos de estudios para concluir una idea más clara sobre la estructura de los atomos
A finales del siglo y durante todo el XXdiversos científicos alrededor del mundo han realizado interesantes estudios sobre el comportamiento y estructura de los átomos, estas investigaciones se basaron en dos principios.
El primero se fundamentaba en la naturaleza eléctrica de la materia, permitiendo observar que los átomos se componen de partículas fundamentales. Contribuyendo a la descripción de la distribución aproximada a estas partículas en los atomos.
La otra área de la investigación se refería a la interacción de la materia en forma de luz. Dicha investigación comprende el estudio de los colores de la luz que absorben o emiten las sustancias.
Ambas áreas de la investigación ayudaron a la comprensión de la distribución de las partículas en los átomos, permitiendo concluir que la distribución de las partículas determina las propiedades físicas y químicas de cada elemento.
En ese sentido, conviene iniciar con la compresión de las partículas fundamentales de modo que podamos ir en un aprendizaje efectivo y ascendente. Empezamos entonces por las bases de la estructura atómica.
Objetivos del estudio de la estructura atómica y las partículas subatómicas
Las partículas subatómicas, en concreto, son las partículas más pequeñas contenidas en un átomo o más pequeñas que un atomo.
La estructura atómica de los átomos tiene como principal objetivo describir las evidencias de la existencia y propiedades de los electrones, protones y neutrones, a las que por efecto de nuestro estudio llamaremos Partículas fundamentales.
Partículas fundamentales de la materia en la estructura atómica
Las partículas fundamentales en la estructura atómica son el eje central de nuestro estudio, estas conforman la estructura básica de todos los átomos. De modo que todos los elementos y materia se componen esencialmente de3 partículas fundamentales.
Estas son: Electrones, protones y neutrones.
Manejar un conocimiento adecuado de las partículas fundamentales de un átomo nos ayudara a comprender la naturaleza y funciones de esta y sus interacciones químicas.
Masa y carga relativa de las partículas fundamentales de la materia
Partícula Masa Carga (escala relativa)
sincarga
El contenido de este tema es bastante extenso, por lo que lo actualizaremos a diario. Continúa atento a nuestra web para que puedas disfrutar de nuestras publicaciones.
Conceptos de interés relacionados a la estructura atómica de los elementos
¿Que es la estructura atomica?
La estructura atómica, es el conjunto de elementos que conforman el arreglo alrededor de un átomo.
¿Que son las particulas subatomicas?
Como ya lo hemos mencionado anteriormente, las partículas subatómicas son las partículas más pequeñas contenidas en un átomo o más pequeñas que un átomo.
Electrones
¿Que es un electrón? El electrón es una partícula subatomica, una de las partículas fundamentales del atomo. La carga de esta partícula fundamental es negativa(e−) y su masa es igual0.00054858.
Esa es la explicación rápida de un electrón, si quieres continuar leyendo mas datos interesantes sobre esta y el resto de las partículas fundamentales y no conformarte con esto tan simple, te invito a que sigas tu lectura a través de esta publicación.
Desde el instante en el que se empieza como más detalle la composición de los átomos, en concreto, sus partículas fundamentales, se han iniciado diversos estudios con el fin de saber más sobre ellas, en este caso, sobre los electrones.
Desde inicio de 1800 hasta mediados del año 1909, mentes brillantes (como tú) como:
Humphry Davy
Quien concluyo que los compuestos químicos se mantenían unidos mediante una fuerza eléctrica.
Michael Faraday
Determinó la relación cuantitativa existente entre la cantidad de energía eléctrica que se consumía durante la electrolisis y la reacción química ocurrida durante ese instante.
George Stoney
Sugirió que los átomos llevaban consigo unidades de carga eléctrica, a los cuales posteriormente decidió llamarle electrones.
J. J. Thomson
Realizo unos de los experimentos más destacables para el momento (experimentos con tubos de rayos catódicos) y que sirvió para determinar la relación entre la carga del electrón y su masa(m). El valor actual de dicha relación en la actualidad es:
e/m=1.75882×108coulomb(C)/gramo
Dicho experimentos, sirvió como evidencia convincente para afirmar la existencia de los electrones. El estudio de los rayos catódicos se inspiró concretamente en la partículas con carga negativa y han sido a estas a las que J. J. Thompson ha decidido llamarle electrones, el mismo nombre que sugirió George Stoney, pero en este caso él le había colocado ese nombre a las partículas eléctricas sin importar si eran positivas o negativas, sin embargo Thompson decidió que este nombre iba perfecto para las partículas con una carga específica, las poseen carga negativa.
En relación a la formula expuesta: e/m=1.75882×108coulomb(C)/gramo
Podemos decir que la proporción es igual sin importar el gas que se encuentra dentro del tubo, la composición de los electrodos o la naturaleza de la fuente de energía eléctrica.
El trabo de Thompson ha sido útil para inferir que los electrones son partículas fundamentales que se encuentran en todos los átomos y que además estos, los atomos; tienen un número entero de electrones. En otras palabras, en un átomo será imposible encontrar un electrones, o 0.342… electrones, la cantidad existente serán números enteros, jamás (al menos por ahora no se ha demostrado lo contrario) encontraremos en un atomo una cantidad de electrones fraccionaria, siempre será un numero entero. Recuerda que hago mucho énfasis en esto, LA CANTIDAD DE ELECTRONES EN UN ATOMO SERA IGUAL A UN NUMERO ENTERO.
Robert Millikan
Mediante su experimento de la “gota de aceite” Robert Millikan resolvió el asunto de la carga de un electrón. Los resultados de su experimento lo ayudaron a observar que todas las cargas eran múltiplos enteros del mismo número por lo que considero que la carga más pequeña era la del electrón. Este valor en la actualidad es: 1.60218×10−19(C).
La relacióncarga/masa, puede emplearse de manera inversa para poder determinar la carga de un electrón.
m=1g1.75882×108C/g×1.60218×10−1
m=9.10940×10−28gEl valor obtenido es tan solo de la masa del atomo de hidrógeno, el átomo más liviano que se conoce hasta el momento.
Si quieres saber más sobre el experimento de los tubos de rayos catódicos y el de la gota de aceite puedes hacer el clic sobre los enlaces a continuación:
Experimento de los tubos de rayos catódicos realizado por J. J. Thompson
Experimento de la gota de aceite realizado por Robert Millikan
Protones
En nuestro diccionario de química, tienes la definición más corta sobre los protones y otros términos empleados en la química que estudiamos.
Sin embargo, si quieres saber ¿que es un protón? te lo resumimos ahora mismo, es una de las partículas fundamentales del átomo, una con carga positiva y con masa superior en $18364 veces a la del electrón. También, podemos decir de los protones que su numero de unidades, es decir, el numero de protones es igual al número atómico del elemento, en otras palabras, al numero .Sin embargo, nos gustaría comentarte mas datos interesantes acerca de esta partícula.
Rayos canales y protones
El experimento con rayos catódicos sirvió no solo para detectar la presencia de los electrones sino que además a través de él se logró notar partículas con carga positiva.
No ha sido sino hasta 1886 que el físico alemán Eugen Goldstein, pudo notar que durante la realización del experimento con rayos catódicos que en su interior se formaba un haz de partículas con carga positiva que se desplazaban hacia el cátodo. Estas partículas recibieron el nombre de rayos canales, la razón de su nombre se debe a que durante el experimento estas partículas lograban pasar a través de un orificio, concretamente; a través de un canal, perforado en el electrodo negativo.
Estos rayos positivos, o iones positivos, se generan cuando los átomos gaseosos que se encuentran en el interior del tubo pierden electrones.
La formación de estos elementos con carga positiva ocurre cuando
ó X→X++e−
Elementos diferentes producen iones positivos que tienen relaciones e/mdiferentes. La regularidad de los valores de iones diferentes motivo a la conclusión de que existe una unidad de carga positiva y que esta se encuentra en el protón. Elemento del cual ya hemos acordado se trata de una partícula fundamental. De la que podemos decir que cuenta con una unidad de carga similar a la del electrón pero con carga opuesta, es decir, con carga positiva.
Además, podemos decir que la masa del protón es veces la masa del electrón.
Ernest Rutherford y núcleo atómico ó átomo nuclear
Antes de que Rutherford plantease la existencia del átomo nuclear se sabía que cada átomo contaba con dos regiones, una positive y la otra negativa. Sin embargo, la distribución de la dicha carga aún no estaba del todo clara.
De hecho, la idea que gozaba de mayor aceptación era la de J.J. Thompson y su modelo atómico. Modelo que muchos conocieron como el de “budín de pasas”.
Este modelo planteaba que las cargas positivas del átomo se encontraban distribuidas de manera uniforme por todo el atomo y que las partículas con carga negativa estaban adheridas al atomo, como las pasas de un budín.
Posiblemente, ya no veras los cupcakes o ponquesitos con chispas de chocolate o pasas de la misma manera que lo hacías antes de leer esta publicación. Lo siento, la ciencia deja sus marcas.
Sin embargo, este planteamiento no dejo muy convencido a uno de sus alumnos más destacados (Rutherford fue alumno de J. J. Thompson). Por lo que en Ernest Rutherford aseguro que las partículas tenían carga positiva. Algunos átomos radioactivos emiten estas partículas con una energía cinética muy grande cuando de forma espontánea experimentan lo que se conoce como decaimiento radioactivo.
NOTA:
Las partículas son iones deHe2+; esto es un átomo de Helio sin sus dos electrones.
Experimento de Rutherford que dio origen al núcleo atómico
En 1910, el equipo de investigación de Ernest Rutherford realizo lo que hasta hoy se conoce como unos de los experimentos que tuvieron gran impacto en el mundo científico:
Bombardearon una muy delgada lámina de oro con partículas de una fuente radioactiva. Detrás de la delgada lámina de oro se colocó una pantalla fluorescente de Zinc para detectar a dispersión que experimentan las partículas.
En aquella época se pensaba que las partículas eran en extremo densas, aún más que las del átomo de oro.
Por esa razón, el experimento intento verificar la dispersión de las partículas sobre la pantalla de zinc y de ese modo contabilizar los destellos que causaban sobre esta. Y con ello obtener el número relativo de estas partículas que se desvían hacia diversos ángulos.
De resultar correcto el modelo atómico de J.J. Thompson, las partículas que pasaban a través de la hoja metálica de oro se hubieran dispersado tan solo un poco, es decir, con un ángulo bastante pequeño, sin embargo no fue así, sino que casi todas las partículas atravesaron la lámina o hoja de oro prácticamente sin sufrir ninguna variación en su ángulo, es decir, sin ninguna variación.
Las que no lograron atravesar la hoja metálica rebotaron hacia la fuente desde donde provenían y el ángulo de dispersión de solo unas pocas resulto ser mayor de lo que se imaginaba.
Las palabras de Rutherford sobre este experimento fueron las siguientes:
Con mucho, fue el acontecimiento más increíble que me haya ocurrido en la vida. Fue casi como haber disparado un proyectil de 22 centímetros a una hoja de papel y que hubiera rebotado hacia ti y te golpeara.
El análisis matemático d estos resultados demostró que la dispersión de las partículas con carga positiva se debía a la repulsión provocada por las regiones de carga positiva muy densa que forma parte de la hoja de oro.
Se determinó además, que la masa de una de esas regiones de carga positiva era casi igual a las del átomo de oro, pero que su diámetro no era de más de del tamaño de dicho átomo.
Este mismo experimento se realizó con hojas de distintos metales logrando los mismos resultados. Al notar que los resultados obtenidos del experimento no eran coherentes con las teorías ya establecidas en relación a la estructura atómica, decidió descartarlas y formular su propia teoría en la cual establece que, cada átomo tiene un centro masivo muy pequeño con carga positiva, al cual llamó núcleo atómico.
Casi todas las partículasα que pasaban a través de las hojas metálicas sin desviarse debido a que los átomos son fundamentalmente espacio vacío poblado solo por electrones muy ligeros.
Las pocas partículas que se desviaban era porque estaban cerca de los núcleos masivos con carga muy grande.
Las conclusiones de Rutherford le permitieron establecer el modelo atómico que hoy lleva su nombre y además nos permite determinar la magnitud de la carga positiva de los núcleos atómicos y la representación de la estructura atómica.
En resumen, los átomos se componen de un núcleo diminuto muy denso con carga positiva rodeado por una nube de electrones a distancias relativamente grande de los núcleos.
Número atómico
La cantidad de protones presentes en el núcleo de un átomo nos permiten determinar la identidad del elemento. Esa cantidad de protones o ese número de protones existentes en el núcleo del átomo recibe el nombre de número atómico de ese elemento.
En otras palabras…
¿Que es el número atómico o cual es la definición del número atómico?
La cantidad de protones existentes en cualquier átomo o elemento de la tabla periódica es a lo que llamamos número atómico. Un ejemplo de ello es lo siguiente:
Según la tabla periódica elF posee electrones y de acuerdo a lo que ya hemos planteado, existe la misma cantidad de protones que de electrones, lo cual sugiere que el F contiene 9protones y por lo tanto su número atómico es 9.
Experimentos que permitieron demostrar la existencia del número atómico y su incidencia en el orden de los elementos según la tabla periódica
Luego de que Rutherford diera conocer los resultados de sus experimentos de dispersión, H. G. J. Moseley realizó un estudio sobre los rayos generados por distintos elementos. Luego Max Von Laue demostró que los cristales podrían difractar los rayosX dando un espectro muy semejante al de la luz visible cuando esta se separa en sus colores componentes.
Moseley generó los rayosX al lanzar un haz de electrones de alta energía sobre un sólido de un elemento puro, concretamente sobre un ánodo anticátodo.
Cada uno de los espectros de rayos que produjeron blancos de elementos distintos fueron registrados a través de medios fotográficos.
Cada fotografía, se componía de varias líneas representativas de rayos de longitudes de ondas diferentes. Cada elemento genero una serie única de longitudes de onda.
En el experimento se pudo verificar que las líneas correspondientes realizaban un desplazamiento hacia longitudes de onda más cortas conforme aumentaba la masa atómica de los elementos usados como blanco, salvo por algunas excepciones.
Incidencias del número atómico sobre la tabla periódica
Sin embargo, Moseley, en 1913 demostró que este desplazamiento de la onda podía asociarse al número atómico. En ese sentido, se concluyó lo siguiente:
Cada elemento difiere del que le precede por una carga positiva más en su núcleo atómico.
Esto permitió que los elementos pudieran ordenarse de forma creciente siguiendo un mejor criterio, su carga nuclear o según su número atómico. Así mismo se pudo constatar que el número atómico era mucho más relevante que la masa atómica para determinar las propiedades de los elementos en estudio, esto en relación a las propiedades eléctricas del átomo.
Con lo cual, todas estas observaciones allanaron el camino para determinar el orden y obtener ideas más claras que luego pudieran expresarse en un instrumento esencial para la formación de los futuros químicos, hablamos de la tabla periódica.
De esta manera se sabe que cada núcleo contiene la misma cantidad de protones que de electrones, evidentemente, un número entero de protones iguales al número de electrones en un átomo neutro.
Neutrones
Empecemos por lo simple, por aclarar el concepto o definición de un neutrón.
¿Que es un neutrón?
El neutrón es una partícula sin carga con una masa algo ligeramente mayor a la masa del protón. Esa es la explicación más simple acerca de la tercera partícula fundamental, pero como en nuestra web no nos conformamos solo con eso iremos un poco más allá.
La tercera partícula fundamental del átomo, esa que llamamos neutrón, fue descubierta en el año 1932, por lo que hasta ese entonces no se tenía certeza de su existencia.
Gracias a la interpretación realizada por James Chadwick acerca del bombardeo de berilio con partículas α del alta energía y mediante los experimentos posteriores a ellos, se logró demostrar que la mayoría de los elementos que siguen al potasio (Ka) producen partículas con carga neutra una vez que se bombardean con partículas α de alta energía, es decir, producen neutrones.
En conclusión, los átomos se componen de un núcleo muy denso y muy pequeño que cuenta con una nube de electrones que circunda alrededor del él, a una distancia relativamente grande. Todos los núcleos poseen protones; los núcleos de todos los átomos, excepto por la forma común del hidrogeno, estos a su vez cuentan en su interior con neutrones.
En concreto, en un átomo podemos encontrar sus tres partículas fundamentales, los electrones, protones y neutrones.