Modelos atómicos

Física Atómica. Evolución histórica. Átomos y estructuras. Distribución de electrones. Modelos. Experimentos. Espectros. Teoría cuántica

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Evolución Historia de los modelos atómicos:

La historia del modelo atómico comienza muchos siglos atrás, incluso antes de Cristo, en el siglo V , los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida en tantas partículas hasta llegar a un punto en que ya no se pudiera dividir mas, es decir que fuera indivisible. Es así como Democrito hace una teoría en la que afirma que la materia esta compuesta de partículas indivisibles, a estas partículas las llamo átomos. La palabra átomo en griego significa indivisible.

Empédocles, otro filósofo griego, que no creía en dicha teoría y postulaba la idea de que la materia estaba constituida por 4 elementos que se combinaban entre sí. Según él, la vida sólo era posible donde había humedad: una flor sin agua se muere; siendo así su primer elemento el agua. Pero llego al razonamiento de que el agua no es sólida, sino que se escapa de las manos. Una montaña no puede estar formada de agua y necesita, por tanto, otro elemento que le dé consistencia, solidez. La tierra fue el segundo elemento del que habló, pues, según el, daba consistencia al agua. Sin embargo, el barro que resultaba de esta mezcla de estos era muy blando. Por lo cual creyó que quien le daba dureza era un tercer elemento, el aire, pues seca o evapora el agua que contienen las cosas. Por último, consideró el fuego como 4º elemento.

Posteriormente transcurre un período en la historia de la Química, donde la principal preocupación es tratar de convertir los metales conocidos en oro. A los científicos encargados de estos procesos se les llamaba alquimistas. Nunca se pudo lograr el objetivo de estos científicos.

Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII, los avances en todos los líquidos, gases y sólidos se pueden descomponer en sus componentes más básicos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno

En 1803 el químico ingles John Dalton, realiza y propone una nueva teoría sobre los componentes de la materia. Dalton divide la materia en dos grandes grupos; los elementos y los compuestos. Los elementos estarían formados por unidades fundamentales a las que identifico como átomos (en honor a Democrito). Los compuestos estarían formados por moléculas que se forman por la unión de átomos bajo las leyes de Proporciones Definidas y Múltiples. Sin embargo la teoría de Dalton seguía considerando los átomos como partículas indivisibles al igual que Democrito. Además de esta teoría creó la ley de las proporciones múltiples. Que explica que cuando los elementos se combinan en más de una proporción, y aunque los resultados de estas combinaciones son compuestos diferentes, existe una relación entre esas proporciones. Gracias a que Dalton enunciará su teoría a mediados del siglo XIX, se desencadeno una serie de sucesos que introdujeron las modificaciones posteriores del modelo atómico inicial.

Hacia finales del siglo XIX se descubrió que el átomo si es una partícula divisible, ya que consta de tres partículas elementales, protones, neutrones y electrones. Los primeros en ser descubiertos fueron los electrones en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson. Luego de ser descubiertos Hantaro Nagaoka propone una teoría en la cual afirma que los electrones giran en orbitas alrededor de un cuerpo cargado positivamente, igualmente como lo hacen los planetas alrededor del Sol. Los protones fueron descubiertos al igual que el núcleo del átomo en 1911 por Ernest Rutherford. Los últimos en ser descubiertos fueron los neutrones en 1933 por James Chadwick (Gran Bretaña).

Siempre existió una gran curiosidad por el tamaño del átomo y esto es algo que atrajo a muchas científicos durante un largo periodo pero por falta de materiales o instrumentos para realizar experimentos que pudieran medir esto muchos se quedaron con la duda. Luego a medida que la ciencia fue evolucionando se hicieron distintos experimentos que dieron respuesta a esta inquietud. El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 Kg. (la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.

El átomo y su estructura:

El átomo es la porción más pequeña de la materia. Esta conformado por tres partículas con cargas diferentes (positiva, negativa y neutra). Existen distintos tipos de átomos; cada uno de estos recibe el nombre de elemento químico.

Tiene un núcleo central en donde se encuentra la mayoría de la masa del átomo que esta conformada por cargas positivas y neutras, los núcleos menos estables son los que contienen un número impar de neutrones y un número impar de protones .Alrededor del núcleo están distintos anillos llamados orbitas por los que giran las cargas negativas llamadas electrones.

Las tres partículas que conforman el átomo son:

  • Electrones: Es una partícula elemental con carga eléctrica negativa igual a 1,602 x 10-19 coulomb y masa igual a 9,1083 x 10-28 g, que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos.

  • Protones: Es una partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1,602 x 10-19 coulomb y cuya masa es 1837 veces mayor que la del electrón , que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos. Al número de protones se le llama Z o número atómico, y se corresponde con el número de orden en el sistema periódico.

  • Neutrones: Es una partícula elemental eléctricamente neutra  y masa ligeramente superior a la del protón, que se encuentra formando parte de los átomos de todos los elementos. Al número de neutrones se llama N. Siendo a su vez la masa atómica de un átomo la suma de los protones y de los neutrones.

Para un mismo elemento químico, el número de protones que tienen sus átomos en sus núcleos es el mismo, pero no el de neutrones, el cual puede variar. Se llaman Isótopos a los átomos de un mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico pero distinto número de electrones.

Puede ocurrir que el átomo pierda o gane electrones, adquiriendo carga eléctrica neta y dando lugar a un ión:

  • Si pierde electrones, adquiere carga eléctrica positiva y el ión se llama catión.

  • Si gana electrones, adquiere carga eléctrica negativa y el ión se llama anión.

Distribución de los electrones en un átomo:

Cada orbita acepta una cantidad determinada de electrones, la 1ra orbita acepta 2, la segunda 8, la tercera 8, la cuarta 32 y así sucesivamente, a esto se le llama configuración electrónica.

Ejemplo:

'Historia del modelo atómico'

En el átomo de CLORO:

2 - 8 - 7

quiere decir que en:

   el primer nivel tiene 2 electrones

   el segundo nivel tiene 8 electrones

   y el tercer nivel tiene 7 electrones

El primer nivel es el que se encuentra más cercano al núcleo.

Modelos Atómicos:

Modelo Atómico de Thomson:

Thomson para explicar la formación de iones, tanto negativos como positivos, y la presencia de electrones dentro de la estructura atómica, construyo un átomo parecido a un pastel de frutas.

Una nube positiva con pequeñas partículas negativas, electrones, suspendidas en ella. El número de cargas positivas era suficiente para neutralizar las cargas positivas.

Si el átomo perdía un electrón entonces quedaría positivo, y si ganaba uno entonces la estructura quedaría negativa. De esta forma explico la formación de iones pero no se explicaba la existencia de otras radiaciones.

Thomson pensó que por la pequeña fracción que los electrones comprenden en el átomo, estos solo eran responsables por una pequeña fracción de la masa del átomo.

Este modelo es también llamado pudín de ciruelas, debido a que tiene un gran parecido con el postre Inglés.

Modelo Atómico de Rutherford:

Lo más relevante de este modelo es que contiene un núcleo atómico, que se encuentra al centro del átomo, este contienen prácticamente toda la masa atómica y las cargas positivas, es decir los protones.

El átomo se encuentra neutro debido a que la carga positiva total del átomo contenida en el núcleo, es equivalente a la carga negativa de los electrones que se encuentras en la corona.

Cuando los electrones salen del átomo dejan la estructura con carga positiva, esto explicaría los diferentes rayos luminosos.

Según Rutherford, el átomo es una estructura estable que tiene una fuerza centrífuga que es igualada por al fuerza de atracción ejercida por el núcleo, que hace que los electrones que giran alrededor del núcleo se mantengan en su orbita.

A este modelo también se le llama modelo planetario debido a que tiene un parecido con los planetas y el Sol.

La limitación de este modelo que fue encontrada por los físicos es que una carga negativa que se mueve alrededor de una carga positiva debe (según las leyes de electromagnetismo clásico) emitir energía y por ende se acercaría cada vez más al núcleo en un movimiento de espiral hasta chocar con él.

Protones P+ La fuerza eléctrica (Fe)

Electrones e - es igual a la fuerza

Neutrones N centrífuga (Fc)

Modelo Atómico de Bohr:

En 1913 el físico Danés, Niels Bohr, encontró algo en común entre la luz y el átomo, esto es el fotón.

El modelo propuesto por Bohr coincide en algunas cosas con el modelo de Rutherford, ya que Bohr, admite la presencia de un núcleo de carga positiva que contiene prácticamente todo la masa del átomo, en este núcleo se encuentran presentes protones y neutrones.

'Historia del modelo atómico'
Los electrones, que son partículas subatómicas de carga negativa se mueven alrededor del núcleo en distintos niveles de energía, a estos niveles de energía los llamo estados estacionarios y les asigno un numero entero positivo, partiendo desde el nivel mas cerca del núcleo al que le asigno el numero 1 y así sucesivamente, mientas mas lejos este el nivel electrónico más grande es el numero. Siempre que el electrón se mantenga en la orbita que le corresponde, ni gana ni pierde energía.

Si un electro se mueve de un nivel a otro o capta o libera energía en forma de fotones, esto sucede por la diferencia de energía que hay entre cada nivel. A medida que el nivel esta mas lejos del núcleo su cantidad de energía es mayor, sin embargo la diferencia de energía entre los niveles va disminuyendo, por lo tanto las transiciones de electrones entre un nivel y otro se producen mas fácilmente.

Por estas conclusiones publicadas a mediados de siglo XX se pueden entender y explicar como se puede reconocer un elemento químico a través de su espectro de luz. El número de electrones de cada elemento en su estado natural es siempre el mismo ya que corresponde a su número atómico. Estos electrones esta distribuidos en distintos niveles energéticos que pueden funcionar como estaciones de paso, mientras los electrones reciben suficiente energía para pasar de un nivel a otro, cuando el electrón se devuelve a su nivel energético original la cantidad de energía absorbida previamente al pasar a un nivel energético mayor es liberada en forma de luz, esta luz al ser difractada produce un espectro especifico para ese elemento.

Lo que permite que esta luz se vea en forma continua es lo rápido y frecuente del proceso, esto se puede lograr al calentar el elemento ya que los electrones pueden absorber la energía calórica y por lo tanto que los cambios de niveles ocurran con mayor rapidez.

La ionizacion de un gas ocurre cuando este absorbe la energía, ya que los saltos de los electrones se van haciendo cada vez más largos y por lo tanto se colocan en orbitas mas alejadas del núcleo, hasta que salen del campo de atracción del núcleo y los electrones salen del área atómica produciendo iones.

Modelo Atómico actual:

Los principios básicos del modelo actual son:

  • La presencia de un núcleo atómico con las partículas conocidas, la casi totalidad de la masa atómica en un volumen muy pequeño.

  • Los estados estacionarios o niveles de energía fundamentales en los cuales se distribuyen los electrones de acuerdo a su contenido energético.

  • La dualidad de la materia (carácter onda-partícula), aunque no tenga consecuencias prácticas al tratarse de objetos de gran masa. En el caso de partículas pequeñas (electrones) la longitud de onda tiene un valor comparable con las dimensiones del átomo.

  • La probabilidad en un lugar de certeza, en cuanto a la posición, energía y movimiento de un electrón, debido a la imprecisión de los estudios por el uso de la luz de baja frecuencia.

  • Este modelo fue ideado por Erwin Schodinger, lo llamo “ecuación de Onda”, es una formula matemática que considera todos los aspectos anteriores. Para resolver esta ecuación se una la función de onda (PSI) que es una medida de la probabilidad de encontrar al electrón en el espacio. Al área en donde hay mayor probabilidad de encontrar al electrón se le llama orbital.

    La función de onda depende de los valores de tres variables que reciben el nombre de números cuanticos. Cada conjunto de números cuánticos, define una función específica para un electrón.  

    Experimento de Rutherford:

    El experimento que uso Rutherford para descubrir el átomo consistía en dirigir una cantidad de partículas radioactivas Alfa con cierta energía contra una plancha de metal delgada, con el objetivo de observar la dirección que tomaban al chocar con el material. Se observo que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin alteración de la velocidad ni la dirección, unas pocas se desviaban fuertemente cuando pasaban por la lámina, y otras pero en un número muy pequeño rebotaban como si estuvieran chocando con una masa sólida. Con este resultado se concluyo que la masa atómica se encontraba concentrada en un pequeño volumen del átomo, también se concluyo que esta masa tenia que ser positiva para poder causar una repulsión tan fuerte de las partículas positivas que pasan cerca de el.

    Experimento de Thomson:

    El experimento que utilizó Thomson para demostrar la relación entre la carga eléctrica y la masa de los electrones, consistía en la utilización de un tubo de rayos catódicos.

    Entre los experimentos con electricidad había algunos que tenían que ver con enviar corrientes eléctricas a través de tubos de vidrio que contienen diferentes clases de gases. Cuando la corriente se encendía, el electrodo negativo, o cátodo, se iluminaba con una extraña luz verde, y en forma similar, un punto brillante verde aparecía en la pared opuesta del tubo. Era claro que algo estaba viajando en línea recta a través del tubo, a partir del cátodo; este “algo” fué llamado rayo catódico.

    Alguien sugirió que los rayos catódicos deberían ser ondas, como la luz o los recientemente descubiertos rayos-x. Pero las ondas, como todo el mundo sabía entonces, no podrían llevar carga eléctrica; solamente las partículas pueden hacer eso. Por ésta razón los resultados experimentales de Thomson lo convencieron de que los rayos catódicos tenían que estar hechos de partículas

    ¿Qué es la luz?, Espectros y Teoría Quántica.

    La definición de la luz según Einstein a principios de siglo XX es:

    “La luz es radiación energética emitida en forma de “cuantos” denominados fotones, con contenidos energéticos diferente que corresponden a un valor y se propagan en forma individual”

    La luz e suna onda que se comporta de una manera muy particular, su reflexión, refracción y difracción sólo se puede explicar clasificándola como una onda electromagnética, con características tales como, longitud de onda, amplitud y frecuencia.

    Espectros:

    Desde el siglo XVIII se conoce la separación de un rayo de luz blanca en una gama de colores al pasar a través de un prisma.

    'Historia del modelo atómico'

    Si se trata de luz que viene de un gas, en el cual se ha producido una descarga eléctrica, se observan líneas de colores muy bien definidas.

    1859 Kirchhoff, que había estado haciendo una serie de estudios a cerca de la luz publica sus conclusiones en las que habla de la existencia de un espectro discontinuo característico para cada elemento químico, es decir despende de se espectro que tenga el elemento se puede decir de que componentes esta compuesto. A esto se le llama análisis espectral, este análisis fue muy utilizado a principios del siglo XX, no solo puede ser utilizado para el análisis de materiales terrestres sino también espaciales.

    Al análisis de los espectros se le llama especería, esto es una parte de la química que analiza ó averigua los componentes de una sustancia á través del estudio de la luz absorbida o emitida por ella.

    Espectro de luz solar:

    No obstante, en la emisión de luz por un cuerpo negro (material que absorbe energía al calentarse) los espectros discontinuos que vienen de elementos gaseosos después de una descarga de alto voltaje, solo se pueden explicar tratándola como fotones, es decir, un flujo de paquetes de energía pura.

    La cantidad de energía de un fotón depende del tipo de radiación, es decir de la longitud de la onda, la cantidad de energía de un fotón y la longitud de onda son inversamente proporcionales, por lo tanto menor longitud de onda mayor cantidad de energía.

    Donde hay una mayor frecuencia (longitud de onda menor), el contenido energético de los fotones es grande. En caso la luz ultravioleta (UV) sus radiaciones no se perciben a simple vista, pero sabemos de su alto contenido energético ya que actúa como catalizador en distintos procesos químicos.

    Teoría Cuántica:

    Teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Según Planck, la energía emitida o captada por un cuerpo en forma de radiación electromagnética es siempre un múltiplo de una constante , llamada posteriormente constante de Planck por la frecuencia v de la radiación.

    Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

    Los siguientes avances importantes en la teoría cuántica se debieron a Albert Einstein, que empleó el concepto del cuanto introducido por Planck para explicar determinadas propiedades del efecto fotoeléctrico, un fenómeno experimental en el que una superficie metálica emite electrones cuando incide sobre ella una radiación.
    Según la teoría clásica, la energía de los electrones emitidos -medida por la tensión eléctrica que generan- debería ser proporcional a la intensidad de la radiación. Sin embargo, se comprobó que esta energía era independiente de la intensidad -que sólo determinaba el número de electrones emitidos- y dependía exclusivamente de la frecuencia de la radiación. Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los electrones; por debajo de una determinada frecuencia crítica, no se emiten electrones. Einstein explicó estos fenómenos suponiendo que un único cuanto de energía radiante expulsa un único electrón del metal. La energía del cuanto es proporcional a la frecuencia, por lo que la energía del electrón depende de la frecuencia.

    A medida que se han ido descubierto las distintas partículas que conformas el átomo y se han ido estudiando mas a fondo cada una de ellas, los modelos atómicos han ido variando comenzando por el modelo atómico de Dalton, luego pasando por el de Thomson, Rutherford y Bohr para terminar en el modelo atómico actual,

    El comportamiento de las partículas atómicas ha podido contribuir al estudio de la composición de distintos elementos por medio de los distintos espectros y la utilización de la teoría cuantica.

    'Historia del modelo atómico'

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