Tema 4. El átomo
1. Las primeras teorías atómicas
Desde épocas remotas, el ser humano se ha interesado por la naturaleza de la materia. Fue en la antigua Grecia donde surgieron los primeros postulados sobre la naturaleza de la materia. En el s. V a.C., Leucipo supuso que después de coger un material y dividirlo muchas veces llegaríamos a tener una partícula tan pequeña que no se podría dividir más veces. Su discípulo Demócrito, expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó por primera vez átomos (átomo en griego significa indivisible).
La palabra átomo proviene de los vocablos griegos α (a = sin) y τομον (tomon) que significa corte, es decir, "sin cortar", o algo que no se puede dividir.
Esta idea no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos, como Aristóteles, que pensaba que todas las sustancias estaban formadas por mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, agua y fuego. El enorme prestigio de Aristóteles hizo que nadie cuestionara sus ideas, y los átomos fueron olvidados durante varios siglos.
▲Ambigrama que aparece en la novela “Ángeles y demonios” con los elementos tierra, aire, fuego y agua.
1.1 Teoría atómica de Dalton
La ausencia de evidencias experimentales hizo que la idea de átomo se olvidara hasta que en el en el año 1803, el científico inglés John Dalton la retomó y propuso la primera teoría atómica, se puede resumir en los siguientes puntos:
◄John Dalton (1766-1844). Entre sus trabajos destacan el modelo atómico y su tabla de pesos relativos de los elementos, que contribuyeron a sentar las bases de la Química moderna.
La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos.
Los átomos de un mismo elemento químico son todos iguales entre sí y diferentes a los átomos de los demás elementos.
Por ejemplo, todos los átomos del elemento hidrógeno son iguales entre sí en todas las propiedades: masa, forma, tamaño, etc., y diferentes a los átomos de los demás elementos.
Los compuestos se forman al unirse los átomos de dos o más elementos en proporciones constantes y sencillas.
Una reacción química implica solo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos, nunca supone la creación o destrucción de los mismos.
Con base a la teoría atómica de Dalton, un átomo se define como la unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química. El problema de este modelo estuvo en que Dalton no intentó describir la estructura interna de los átomos.
2. Los primeros modelos atómicos
Un modelo atómico es una representación que describe las partes que tiene un átomo y cómo están dispuestas para formar un todo.
2.1 Modelo atómico de Thomson
Una serie de investigaciones posteriores, ya en el siglo XX, demostraron claramente que los átomos están formados a su vez por partículas más pequeñas, las llamadas partículas subatómicas. La primera de estas partículas subatómicas fue el electrón, con carga negativa, descubierto por el físico inglés J. J. Thomson.
Joseph John Thomson (1856-1940) recibió el Premio Nobel de Física en 1904. ►
Con este descubrimiento, el modelo de Dalton dejó de ser válido, ya que no contemplaba que los átomos estuvieran constituidos por partículas más elementales. El mismo Thomson, en 1904, propuso un nuevo modelo atómico, conocido como el modelo de "pastel de pasas", en el que considera al átomo como una esfera maciza cargada positivamente, en la que están inmersos de forma uniforme los electrones, resultando el conjunto eléctricamente neutro.
2.2 Modelo atómico de Rutherford
Unos años más tarde, el físico neozelandés Ernest Rutherford supuso la existencia de partículas de carga positiva, descubriendo de esta forma los protones, y presentó un nuevo modelo (1911). La importancia de este modelo estuvo en proponer por primera vez la existencia de un núcleo en el centro del átomo, en el que se concentra toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo. Los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo, a gran distancia y en órbitas indefinidas, de tal manera que, en un átomo neutro, el número de protones es el mismo que el de electrones.
Ernest Rutherford (1871-1937), galardonado con el Premio Nobel de Física en 1908. ►
Además, Rutherford propuso que debería existir otra partícula subatómica en el núcleo, sin carga eléctrica, que evitase la repulsión eléctrica de los protones. La existencia de esta nueva partícula la demostró posteriormente el físico inglés James Chadwick, llamándola neutrón.
3. Identificación de los átomos
En la siguiente tabla se muestran los valores de carga y masa de las tres partículas que componen el átomo:
4.1 | Un átomo está formado por 4 protones, 4 electrones y 4 neutrones:
a) Calcula su masa en kg.
b) ¿Cuál sería su masa si careciese de electrones?
c) ¿Cuál es la carga relativa de ese átomo?
d) ¿Cuál sería su carga relativa si gana un electrón? ¿Y si pierde dos?
INVESTIGA si las partículas subatómicas son partículas elementales o están formadas por otras más pequeñas. En caso afirmativo, anota sus nombres, descubridores y años de descubrimiento.
3.1 Número atómico y número másico
Todos los átomos se pueden identificar por el número de protones y neutrones, simbolizándose de la siguiente forma, conocida como notación:
El número atómico (Z) es el número de protones presentes en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo eléctricamente neutro también sería el número de electrones.
El número másico (A) es la suma de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un elemento. En general, el número másico está dado por el número atómico más el número de neutrones (N), por lo tanto, A = Z + N.
4.2 | Escribe la notación de los átomos neutros siguientes:
a) Oxígeno (símbolo O) con 8 protones y 8 neutrones en el núcleo.
b) Hierro (símbolo Fe) con 26 protones y número másico 56. ¿Cuántos electrones tiene este átomo?
4.3 | Escribe las notaciones de los siguientes átomos neutros:
Berilio (Be)
Calcio (Ca)
Nitrógeno (N)
Helio (He)
4.4 | Escribe las notaciones de los siguientes átomos neutros:
3.2 Los iones
El número de protones de un átomo permanece constante siempre, pero el número de electrones es variable. De esta forma el átomo deja de ser eléctricamente neutro, dando lugar a los iones:
Los iones de carga positiva (cationes, X+) cuando pierden electrones.
Los iones de carga negativa (aniones, X-) cuando ganan electrones.
Así, por ejemplo:
El berilio (Be) neutro tiene 4 protones, 5 neutrones y 4 electrones. El catión berilio (Be2+) tiene también 4 protones y neutrones, pero tiene 2 electrones, porque ha perdido dos.
El flúor (F) neutro tiene 9 protones, 10 neutrones y 9 electrones. El anión flúor (F-) tiene también 9 protones y 10 neutrones, pero tiene 10 electrones, porque ha ganado uno.
4.5 | Calcula el número de protones, neutrones y electrones del ion I-, sabiendo que el número másico del yodo es 127 y el número atómico es 53.
4.6| Calcula el número de protones, neutrones y electrones del ion N3+, sabiendo que el número másico del nitrógeno es 14 y el número atómico es 7.
4.7| Los elementos sodio y cloro forman los iones Na+ y Cl-. Estos iones forman una red, que corresponde a la estructura de la sal común (NaCl). El átomo de sodio tiene 11 protones y 12 neutrones; el átomo de cloro tiene 17 protones y 18 neutrones.
a) ¿Cuántos electrones tiene el ion sodio?
b) ¿Cuántos electrones tiene el ion cloro?
c) ¿Los iones que forman la sal son eléctricamente neutros?
d) Representa la notación de estos dos iones.
3.3 Los isótopos
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones (número atómico, Z), pero diferente número de neutrones, es decir, distinto número másico. La mayoría de elementos químicos tienen varios isótopos con diferente presencia en la naturaleza.
Todos los isótopos de un elemento presentan idénticas propiedades químicas (se trata del mismo elemento), pero distintas propiedades físicas (comportamiento radiactivo, puntos de ebullición y de fusión, etc.).
Algunos ejemplos característicos son:
El isótopo de carbono más abundante es el carbono-12, con una abundancia relativa de 98,89 %. Le siguen el carbono-13 (1,109 %) y el carbono-14 (10-10 %).
Los dos isótopos comunes del uranio son el uranio-235 (conocido como uranio enriquecido) y el uranio-238. El primero se utiliza en reactores nucleares y en bombas atómicas, mientras que el segundo carece de las propiedades necesarias para tales aplicaciones.
4.8 | Realiza una tabla indicando el número de partículas subatómicas para los tres isótopos del hidrógeno, los tres del carbono y los dos del uranio, así como su notación atómica.
INVESTIGA al menos 5 isótopos con aplicaciones en campos como la energía, la medicina, la agricultura o la investigación.
4. Modelo atómico de Bohr
Partiendo del modelo atómico de Rutherford, Niels Bohr, en 1913, planteó uno nuevo, basado en la existencia de niveles de energía. Se apoya en un conjunto de postulados:
Primer postulado. Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares definidas. Mientras un electrón permanece en su órbita, ni absorbe ni pierde energía, aunque la tiene. A estas órbitas se las conoce como estacionarias.
Segundo postulado. Los electrones solo se pueden mover en determinadas órbitas, donde tienen cierta energía, siendo menor cuanto más cerca está del núcleo. Las órbitas o niveles de energía se simbolizan con la letra "n", que puede tomar valores de 1, 2, 3...
Tercer postulado. Los electrones solo ganan o pierde energía cuando cambian de una órbita a otra. Para pasar a una más alejada del núcleo absorbe, y para hacerlo a una más cercana, emite. Esto explica los espectros discontinuos.
4.1 La distribución de los electrones
Los niveles energéticos solo pueden albergar un número máximo de electrones cada uno. El número de máximo de electrones por nivel de energía se puede determinar por medio de la siguiente relación: 2n2.
4.2 Configuraciones electrónicas
La configuración electrónica es una representación de la forma en que se distribuyen los electrones en un átomo.
Ejemplos:
· He (Z=2): 2
· O (Z=8): 2 6
· Ne (Z=10): 2 8
· Kr (Z=36): 2 8 18 8
Los electrones más importantes de un átomo son los que se sitúan en su último nivel de energía (capa de valencia), ya que determinan el comportamiento químico de los átomos. Se les llama electrones de valencia.
4.9 | Escribe las configuraciones electrónicas de los primeros veinte elementos de la Tabla Periódica y señala su capa de valencia.
4.10 | Escribe las configuraciones electrónicas de los siguientes iones: Li+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, N3-, O2-, S2- y F-.
4.11 | El átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones. Dado que el átomo es eléctricamente neutro, haz un dibujo de cómo están distribuidas las tres partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) en el átomo de helio.
4.12 | Dibuja en tu cuaderno el esquema de un átomo que tenga cuatro protones y cinco neutrones. ¿Cuántos electrones debes poner para que el conjunto sea neutro?
4.13 | Dibuja en tu cuaderno el esquema de los átomos de la actividad 4.4 (excepto la plata).