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.

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1 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.

2 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.

3 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.

4 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 ( a. C.) propusieron que la materia estaba formada por pequeñas partículas indivisibles a las que llamaron “átomos”.

5 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.

6 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 ( ), 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.

7 Los Átomos Posteriormente, Joseph Proust ( ), 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.

8 Los Átomos John Dalton ( ), 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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 ( ) en el año de 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”.

14 Los Átomos En el año de 1897, J.J. Thomson ( ) 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.

15 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. 

16 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.

17 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 ( ) 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.

18 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.

19 Los Átomos Poco después de Roentgen Henry Becquerel ( ), 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.

20 Los Átomos En 1909, Ernest Rutherford ( ), 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.

21 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.

22 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”.

23 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.

24 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.

25 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.

26 Los Átomos Niels Bohr ( ), 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.

27 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”.

28 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.

29 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.

30 Los Átomos 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. 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.