TEMA 3: Estructura Atómica

1. Teoría Atómica.

Se basa en que la materia es discreta (formada por partículas individuales e indivisibles). Su primer ideólogo es Demócrito (400 ac) aunque se basaba en hipótesis no experimentales. Su posterior renacimiento fue a cargo de Dalton (1805), en su “Teoría Atómica”. Para dictarla se basó en datos experimentales y reproducibles, a saber.

1.1. Ley de la Conservación de la Masa. Lavoisier (1770) buscó las relaciones entre las masas de los reactivos y productos luego de una reacción química. En el caso de la combustión, observó que algunas veces las cenizas eran más pesadas que el reactivo original, y al revés en otros. De ahí, descubre la existencia del oxígeno en el aire y dicta la ley citada: “La masa de los productos de una reacción es igual a la masa de los reactivos”, es decir, la masa, en una reacción química, no se destruye ni se crea: se conserva.

1.2. Ley de las Proporciones Definidas. Proust (1800) observó diferentes muestras de un mismo compuesto, y comprobó que la masa de los elementos constituyentes mantenía una proporción constante en cualquier muestra del compuesto. De allí dicta su ley: “En un compuesto dado, las masas de sus elementos constituyentes están siempre en proporción constante y única”. Matemáticamente
.

1.3. Teoría Atómica de Dalton. Postula: a) Toda la materia está compuesta por partículas indivisibles llamadas átomos, que mantienen su identidad durante una reacción; b) Los átomos de un elemento son idénticos entre sí, y diferentes a los de otros elementos; c) Los átomos se combinan entre sí en proporciones de números naturales, para formar compuestos; d) En una reacción química, los átomos se reordenan, no se crean ni destruyen.

La teoría atómica es errónea solo en el apartado a). A partir de ella, se deduce una nueva ley: “Ley de las proporciones múltiples” por la cual, “si dos elementos forman más de un compuesto, fijando la masa de uno de ellos, la relación entre las masas del otro es un número entero pequeño”. Por ejemplo, 1 g de A se combina con 2 g de B y con 4 g de B, estas cantidades están relacionadas por un número entero pequeño: 4g/2g = 2.

2. Partículas subatómicas

Fueron descubiertas por la naturaleza eléctrica del átomo.

2.1. Rayos Catódicos

Cuando en un tubo vacío, se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre dos metales: cátodo (-) y ánodo (+), y se coloca en la parte posterior, una pantalla fluorescente, se observa una corriente invisible que impacta sobre ella. Cuando se coloca un ánodo con forma, se observa una sombra en la pantalla, por lo que se comprueba que el rayo catódico se mueve en línea recta. Cuando se aplica un campo eléctrico, el rayo se desvía hacia el positivo, por lo que los rayos catódicos son negativos. Si se coloca una rueda de paletas en la trayectoria, ésta gira, por lo que los rayos catódicos tienen masa, velocidad y por lo tanto cantidad de movimiento y energía cinética.

2.2. Electrón

Mediante los rayos catódicos, Thomson (1897) concluyó que los átomos no son indivisibles, sino que están compuestos por partículas negativas con masa llamados electrones.

2.2.1. Relación carga/masa

Si a un electrón de carga e, masa m, y velocidad v se lo hace pasar por un campo magnético de intensidad H, se produce una fuerza que lo hace girar indefinidamente en una trayectoria circular de radio r. Matemáticamente,
.

La velocidad era imposible de determinar en esa época por Thomson, por lo cual aplica un campo eléctrico que produzca el efecto contrario al magnético, es decir una fuerza de igual intensidad pero de sentido contrario.
, donde E es la intensidad del campo eléctrico. De allí, se obtiene que
, y reemplazando en (1.1),
, donde E, H y r son determinables por medición.

Gracias a esta deducción Thomson obtiene el valor e/m = -1,76 . 108 C/g.

2.2.2. Masa y carga

Algunos años después, Millikan fabrica un aparato consistente en dos placas cargadas con cargas opuestas, entre las cuales se atomiza una gota de aceite que se carga con rayos X. La caída de la gota, por la gravedad es igual a mg. Si aplicamos un campo electrostático de fuerza neE (donde e es la carga de un electrón, E es la intensidad del campo y n un número natural) igual a mg, la partícula quedará suspendida. Luego de varias mediciones, ne siempre era múltiplo de 1,60 . 10-19 C, por lo que se considera a esta carga como la del electrón: la más pequeña que se puede encontrar en la naturaleza.

De allí:
= 9,09 . 10-28 g.

2.3. Protón

En un tubo de rayos catódicos con un cátodo perforado, se observan rayos canales, que atraviesan el cátodo negativo al ser atraídos por él, lo que demuestra su carga positiva. El estudio e/m da resultados variables y más pequeños que los del electrón, por lo que aseguramos que la masa de estas partículas es variable de un elemento a otro, aunque todas mayores y múltiplos de la masa del electrón. En cambio, la carga es de la misma intensidad pero con diferente signo.

Se define al protón como la partícula fundamental cuya carga es igual a la del electrón en intensidad, pero positiva.

3. Rayos X y radiactividad

3.1. Fluorescencia y fosforescencia

La fluorescencia es la emisión de luz visible por una sustancia, solo cuando es irradiada por luz no visible, desapareciendo cuando ésta desaparece. Se produce cuando una radiación de longitud de onda corta (rayos X, catódicos, gamma, ultravioleta, etc) impacta sobre la sustancia provocando una rápida e inmediata absorción de energía en forma de calor, y la disipación del resto en forma de radiación de onda más larga, visible.

La fosforescencia es la emisión de luz visible por una sustancia, luego de ser irradiada por luz no visible, y manteniéndose en el tiempo. Se produce cuando la radiación de longitud de onda corta impacta sobre la sustancia provocando una absorción de energía que se disipa de forma paulatina en luz visible, aunque la radiación termine.

3.2. Rayos X

Röntgen (1895), estudiaba rayos catódicos, cuando éstos impactaron sobre una sustancia determinada y fuera del experimento a realizar, provocando su fluorescencia. La misma se producía si la sustancia era alejada, inclusive si era cubierta por cartón negro que absorbe la luz visible o si era llevada a habitaciones contiguas.

Estos rayos eran emitidos por el ánodo cuando sobre ellos llegaban rayos catódicos, y tenían la capacidad de atravesar todo tipo de sustancias menos densas que el plomo.

Röentgen observó que la emulsión fotográfica también fluorescía bajo su efecto, por lo que Roentgen supuso que si se colocaba una placa fotográfica en el trayecto de esta radiación misteriosa (a la que llamó rayos X), y se interponía a esta otro objeto cualquiera, la placa quedaría impresionada por los rayos mostrando la conformación interna del objeto en cuestión. Así lo comprobó, utilizando por primera vez los rayos X como método de fotografía para el interior de los objetos.

Los rayos X son radiación electromagnética de longitudes de onda muy corta (10-10 m = 1 Å) y se producen por el cambio energético y de velocidad de los electrones de las capas externas.

3.3. Radiactividad

Becquerel descubrió que algunas sustancias provocan fluorescencia en placas fotográficas sin necesidad de estar expuestos a Rayos X, es decir, provocan radiación por sí mismos. Luego de estudiarlos en diferentes estados físicos y químicos, y comparar los resultados similares, notó que el proceso debía provenir del átomo mismo, ya que hasta en disoluciones el proceso se producía.

A este proceso por el cual un elemento inestable produce espontáneamente radiación, se lo llamó radiactividad.

La radiactividad fue estudiada luego por los esposos Curie, y se clasificó la radiación emitida en tres tipos: a) Rayos , con una masa igual a cuatro veces la del hidrógeno y una carga positiva igual a dos veces la del electrón, es decir, son cationes dipositivos de helio; esta radiación es muy ionizante, al tener una masa elevada, aunque penetra muy poco y es fácilmente detenible; b) Rayos , con una masa despreciable y con una carga negativa, que tienen el mismo efecto que los rayos catódicos, es decir, son electrones; son medianamente ionizantes y penetrantes; c) Rayos , que no son desviados por ningún campo y responden a las características de radiación electromagnética de elevada frecuencia; son extremadamente penetrantes y muy poco ionizantes.

4. Átomo Nuclear

Rutherford bombardeó una lámina fina de oro con Rayos , con la esperanza de que todas las partículas de los Rayos recayeran sobre la placa fluorescente circular que rodeaba a la lámina, atravesando a esta última. Sorprendentemente, aunque muchas la atravesaban, otras se desviaban y algunas hasta rebotaban en la lámina. Para explicar este fenómeno, Rutherford renunció a la creencia de la distribución electrónica uniforme en el átomo, proponiendo que las cargas positivas de los protones del átomo se encontraban en una región muy pequeña y central en el átomo (núcleo), mientras que los electrones giraban muy alejados de ésta alrededor. Cuando los cationes helio atravesaban estos vacíos, no se desviaban, en cambio cuando chocaban en una proporción muy baja, con los núcleos positivos, eran repelidos, desviándose o rebotando.

Al aplicar estos conceptos, se creía que la masa de los átomos de un elemento crecía proporcional al aumento de sus protones nucleares, pero, el átomo de helio que tenía dos protones en su núcleo, poseía una masa cuatro veces mayor a la del hidrógeno. En 1932, Ghadwick explicó este fenómeno comprobando que en el núcleo atómico existe otra partícula denominada neutrón, de masa similar al protón pero sin carga.

Actualmente, se conocen otras partículas subatómicas mucho más pequeñas e inestables como los quarks que forman a protones y neutrones, pero no se conoce su naturaleza ni función.

5. Elementos Químicos

Un elemento químico queda determinado por la cantidad de protones en su núcleo (Z o número atómico). En todo elemento neutro, el número de electrones es igual al de protones para contrarrestar cargas.

Por otra parte, todo elemento tiene una masa atómica particular que es la suma entre la masa de los protones y de los neutrones que se encuentran en su núcleo. A éste número se lo denomina número másico o A.

Para describir correctamente a un elemento se utiliza el núclido, formado por el símbolo del elemento, con el número atómico de subíndice y el másico de superíndice:
.

Si el número de protones variara, el elemento varía, transformándose en otro. En cambio, el número de neutrones puede variar, dando elementos de diferente masa llamado isótopos.

La mayoría (un 80%) de los elementos se presentan en forma de isótopos. Se denomina abundancia de un isótopo a la proporción entre su presencia y el total de muestra, por cien.

Para nombrarlos, se usa el nombre del elemento y su número másico.