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3.2.1. El descubrimiento del electrón
3.2.1. El descubrimiento del electrón
A lo largo de los siglos, se pusieron de manifiesto fenómenos eléctricos naturales (sin saber nada de la existencia de los electrones).
El descubrimiento del electrón tiene su origen en las investigaciones W. Crookes y J.J. Thomson, que experimentaron con unos tubos de rayos misteriosos. Estos tubos son ampollas de vidrio con discos metálicos en su interior en las que se hace vacío. Al aplicar una diferencia de potencial aparece los rayos.
En estos tubos se observó:
Los rayos se propagaban en línea recta. Si se acercaba un imán, los rayos se curvaban. DEBÍAN ESTAR FORMADOS POR "ALGO" CARGADO ELÉCTRICAMENTE.
Se proyectaba una sombra en uno de los laterales de la ampolla de vidrio, por lo que los rayos debían proceder del lado opuesto, concretamente donde se encontraba el cátodo.
Introduciendo en la ampolla de vidrio un molinillo, el molinillo se mueve al activar la corriente en los electrodos, por lo que los rayos DEBÍAN ESTAR FORMADOS POR PARTÍCULAS CON MASA.
Thomson llevó a cabo unas modificaciones en los tubos de rayos catódicos, situando unas placas metálicas cargadas eléctricamente al paso del rayo. Observó que los rayos eran desviados siempre hacia el lado donde se encontraba la placa con carga positiva, por lo que estos rayos debían estar formados por PARTÍCULAS CON MASA Y CARGADOS NEGATIVAMENTE.
Además observó que los rayos aparecían independientemente del gas contenido en la ampolla de vídrio e independientemente de los metales usados en la constitución de los electrodos. ESAS PARTÍCULAS ESTABAN EN TODO TIPO DE MATERIA.
3.2.2. Modelo atómico de Thomson
3.2.2. Modelo atómico de Thomson
El descubrimiento por parte de J. J. Thomson de la primera partícula subatómica, el electrón, llevó a los científicos a proponer un primer modelo. Se sabía que había unas partículas más pequeñas que el átomo y que tenían carga negativa. Al ser la materia eléctricamente neutra, debía haber “algo” que tuviera carga positiva. Así llegaron al siguiente modelo conceptual del átomo según Thomson:
“El átomo es una esfera cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones en número suficiente para que el conjunto sea eléctricamente neutro”.
Si alguno de los electrones incrustados se desprendía de la masa positiva, se formaría un ion positivo. Así, este modelo explicaba la naturaleza eléctrica de la materia.
3.2.3. Los rayos X y la radiactividad
3.2.3. Los rayos X y la radiactividad
En 1895, el físico alemán, W. K. Röentgen, descubrió unos rayos que no se desviaban con placas eléctricas, lo que indicaba que eran eléctricamente neutros, y eran capaces de atravesar materiales de gran espesor. Se denominaron Rayos X. Un año más tarde, el físico francés A. H. Becquerel observó un nuevo tipo de radiación, y una discípula suya, M. Curie, sugirió el nombre de radiactividad para describir los fenómenos de emisión espontánea de partículas por parte de algunas sustancias.
Las emisiones radiactivas pueden ser de tres tipos:
Emisión alfa. Son partículas cargadas positivamente. Pueden detenerse con una lámina de papel.
Emisión beta. Está formada por electrones muy veloces. Tienen mayor poder de penetración que las emisiones alfa.
Emisión gamma. No son partículas materiales, sino radiación electromagnética mucho más energética que los rayos X. Es preciso una capa de plomo de varios centímetros de espesor o un muro de hormigón para detenerla.
El descubrimiento del electrón y estas emisiones radiactivas llevaron a los científicos a estimar que el átomo era más complejo de lo que Dalton supuso.
¿Por qué os cuento esto? Porque para llegar al siguiente modelo atómico, el protagonista, E. Rutherford, utilizó rayos alfa. Veamos que pasó...
3.2.4. Modelo atómico de Rutherford
3.2.4. Modelo atómico de Rutherford
En 1911, E. Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo un experimento consistente en lanzar partículas alfa contra una lámina muy fina de oro. Si la materia fuese como se estipulaba a través del modelo de Thomson, las partículas responderían uniformemente. El resultado fue muy diferente.
La mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro sin inmutarse, es decir, como si no hubiese nada.
Unas pocas partículas se desviaban, como si pasasen cerca de algo que las “empujase” hacia un lado.
Muy pocas rebotaban hacia atrás, como si hubiesen “chocado” contra algo.
La conclusión era evidente, el átomo no era uniforme, debía estar prácticamente vacío, y dentro de él debía haber algo que desviase las partículas alfa. Rutherford se imaginó el átomo constituido por un núcleo con carga positiva, alrededor del cual orbitaban tantos electrones como fuese necesario para que la materia fuese eléctricamente neutra.
RECURSO TIC
Se trata de una animación 3D de Mozaik Education que permite entender el Experimento de Rutherford, los acontecimientos esperados, y los resultados finales obtenidos, así como la explicación que el científico postuló tras estos últimos.
RECURSO TIC
Recurso interactivo que muestra los resultados observados por Rutherford en su experimento. Permite la modificación de parámetros.
También permite la observación de los resultados esperables según el modelo anterior de Thomson.
3.2.5. Modelo atómico de Bohr y la corteza electrónica
3.2.5. Modelo atómico de Bohr y la corteza electrónica
El modelo atómico de Rutherford tenía una interpretación correcta pero no concordaba del todo con las leyes del a física. Según Rutherford los electrones podrían orbitar libremente, sin seguir un orden. Sin embargo, descubrimientos posteriores llevaron a pensar que no era así, postulando que:
Los electrones se encuentran en capas electrónicas girando en órbitas circulares bien definidas y estables.
Si el electrón permanece en un nivel energético, ni absorbe ni emite energía; pero si el electrón cambia de nivel, sí emite o absorbe energía. Emite energía si baja de nivel y absorbe energía si sube de nivel.
Estos conceptos de absorción y emisión de energía, vamos a “creérnoslo” en este curso. En el siguiente veremos cómo se llegó a esta conclusión.
Con el modelo atómico de Bohr aparece el concepto de corteza electrónica del átomo, que es la zona alrededor del núcleo del átomo que contiene los electrones.
Los electrones, a diferencia de lo que proponía Rutherford, se ubican en capas o niveles de energía, denominándose K, L, M y N, a las capas situadas en los niveles 1, 2, 3 y 4 respectivamente. Dentro de cada capa o nivel, puede haber subniveles.
Esta tabla muestra el número de electrones que cabe en cada capa o nivel de energía. Así, un nivel de energía n podrá albergar 2·n2.
Este diagrama muestra el orden de distribución de los electrones. Por lo general se completan los niveles en orden creciente, pero existe un entrelazamiento del nivel 3 al nivel 4, de manera que comienza a llenarse el nivel 4 antes de completarse el nivel 3.
La última capa con electrones se denomina capa de valencia, y a los electrones situados en esta capa se denomina electrones de valencia.
Esta representación corresponde a un átomo de Litio, cuyo número atómico es Z=3. La distribución electrónica es 2, 1, porque tiene 2 electrones en el nivel n=1 (capa K) y 1 electrón en el nivel n=2 (capa L).
La absorción y emisión de energía por parte de los átomos hace que los electrones de valencia suban de nivel (si están en un nivel fundamental) o bajen de nivel (si están en un nivel por encima del fundamental, lo que se denomina estado excitado). Esto da lugar a los espectros atómicos, característicos de cada átomo.
RECURSO TIC
A través de esta aplicación puedes observar cómo cada elemento del sistema periódico presenta su propio espectro de absorción y emisión.
En el siguiente apartado profundizaremos en la corteza electrónica, pues es importante para comprender la clasificación de los elementos en el Sistema Periódico de los Elementos.
3.2.6. Modelo atómico actual
3.2.6. Modelo atómico actual
A pesar de que el modelo atómico de Bohr explicaba ciertos fenómenos, resultó nuevamente insuficiente para explicar otros fenómenos descubiertos posteriormente, que no vamos a estudiar en este curso. Estos fenómenos llevaron al modelo mecano-cuántico, que es válido en la actualidad, según el cual:
El átomo está constituido por cargas positivas y negativas, como propuso Thomson (hasta aquí nada nuevo).
Esas cargas positivas y negativas se distribuyen en un núcleo cargado positivamente, y una corteza electrónica donde se encuentran los electrones con carga negativa, como propuso Rutherford (nada nuevo).
Los electrones no se encuentran en cualquier zona, sino distribuidos por niveles, como propuso Bohr (vaaaaale, nada nuevo...).
Pero los electrones no orbitan órbitas circulares o elípticas, sino que se encuentran deslocalizados en nubes donde hay probabilidad de encontrarlo, llamados orbitales (🤯, vaaale, olvídalo, en este curso ya está bien...).
RESUMEN
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