TEMA 3:
Estructura atómica de la materia.
ESQUEMA DE LA UNIDAD
1.- La concepción del átomo.
1.1.- Teorías de los cuatro elementos y del atomismo.
1.2.- Teoría atómica de Dalton.
2.- La electricidad.
3.- Las partículas que forman el átomo.
4.- El descubrimiento del electrón.
5.- El descubrimiento del protón.
6.- Modelos atómicos.
6.1.- El modelo atómico de Thomson.
6.2.- El experimento de la lámina de oro.
6.3.- El modelo atómico de Rutherford.
6.4.- El descubrimiento del neutrón.
6.5.- El modelo atómico de Bohr.
7.- Átomos, isótopos e iones.
7.1.- Número atómico y número másico.
7.2.- Isótopos.
7.3.- Masa atómica.
7.4.- Iones.
8.- Radiatividad.
1.- LA CONCEPCIÓN DEL ÁTOMO
1.1.- Teorías de los cuatro elementos y del atomismo
Desde la antigüedad el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. En la Grecia de los siglos V y IV a.C. había dos ideas que daban respuesta a la cuestión anterior: la teoría de los cuatro elementos y la teoría del atomismo.
Teoría de los cuatro elementos
El filósofo y político Empédocles de Agrigento creía que el universo estaba formado por cuatro elementos: agua, aire, fuego y tierra.
Un siglo después, Aristóteles, el más influyente de los filósofos griegos, adoptó esta teoría diciendo que cada uno de los elementos anteriores era el resultado de la unión de dos de las siguientes propiedades: calor, sequedad, frío y humedad. Además añadió un quinto elemento en la lista, el éter, del que estaban formados los cielos.
Teoría del atomismo
El filósofo griego Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito, unos 400 años antes de Cristo, consideraban que al dividir sucesivamente en partículas cada vez más pequeñas cada uno de los cuatro elementos anteriores, llegaría un momento en el se obtendría una partícula tan pequeña que no se podría dividir más pequeñas. A esta partícula la llamaron átomo (que en griego significa "indivisible").
1.2.- Teoría atómica de Dalton
Fue la teoría de los cuatro elementos apoyada por Aristóteles, quien gozaba de un gran reconocimiento, la que sería aceptada durante siglos, dejando en el olvido durante cerca de dos mil años a la teoría del atomismo, que fue recuperada en el siglo XIX por el químico inglés John Dalton.
La teoría atómico molecular de Dalton, que ha sido fundamental para el desarrollo de la química moderna, se resume en los siguientes postulados:
La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.
Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí (es decir, tienen la misma masa y mismas propiedades físicas y químicas).
Los átomos de distintos elementos tienen diferente masa y propiedades.
Los compuestos se forman cuando se unen entre sí dos o más átomos del mismo o de diferente elementos.
2.- LA ELECTRICIDAD
La palabra electricidad procede de la palabra griega elektron que significa ámbar. El ámbar es una sustancia de origen vegetal que producen algunos árboles y plantas. Aunque podemos encontrarlo en varios colores diferentes, el más característico es el amarillo anaranjado.
La electricidad es una propiedad que posee la materia (aunque no esté continuamente manifestándose) que observó por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto (año 600 a.C.) al frotar con piel un trozo de ámbar, tras lo cual pudo comprobar que esa sustancia era capaz de atraer trocitos de pluma o de materiales ligeros. Se pensó entonces que el ámbar era el único material que poseía esta propiedad.
Esta propiedad se ha estudiado a lo largo de la historia consiguiéndose demostrar que se debe a la presencia en la materia de una serie de partículas que vamos a estudiar a lo largo del tema.
3.- LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN EL ÁTOMO
Dalton, en su teoría atómica, considera el átomo como la parte más pequeña en la que se puede descomponer la materia. Para Dalton el átomo era indivisible, sin embargo, trabajos desarrollados a partir de 1850 demostraron que los átomos están formados por partículas más simples, llamadas partículas subatómicas. Estas partículas se llaman:
Electrones: descubiertos por J. J. Thomson y que tienen carga eléctrica negativa.
Protones: descubiertos por Rutherford y con carga eléctrica positiva.
Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga eléctrica pero con masa.
Además se sabe que los protones y neutrones están formados a su vez por otro tipo de partículas llamadas quarks, y que las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.
4.- EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN
A mediados del siglo XIX los científicos comenzaron a estudiar qué efectos producían las descargas eléctricas a través de tubos de vidrio a los que se les extraía el aire y se le introducían distintos elementos químicos, observándose que un alto voltaje producía radiación dentro del tubo.
Esta radiación recibió el nombre de rayos catódicos porque se viajaban desde el electrodo negativo o cátodo hacia el positivo o ánodo, y lo hacían en línea recta.
En el año 1905 el científico Joseph John Thomson (más conocido como J. J.
Thomson) descubrió el electrón cuando se encontraba estudiando la naturaleza y el comportamiento de los rayos catódicos. Influenciado por otras teorías científicas conocidas en su época (como la teoría de Maxwell) y el descubrimiento de los rayos X, dedujo que los rayos catódicos estaban formados por partículas cargadas eléctricamente a las que denominó corpúsculos.
Para determinar la carga de estas partículas acercó unos imanes al tubo observando que al conectar de nuevo la corriente y saltar la chispa, esta vez no circulaba en línea recta, sino que se desviaba hacia el lado positivo del imán, llegando así a la conclusión de que esas partículas a las que denominó corpúsculos tenían carga eléctrica negativa (recordar que las cargas de distinto signo se atraen y del mismo signo se repelen). Las partículas que Thomson llamó corpúsculos se denominan actualmente electrones y son partículas de carga negativa que hay dentro del átomo.
5.- EL DESCUBRIMIENTO DEL PROTÓN
En el año 1886, el físico alemán Eugen Goldstein descubre, en un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado, una fluorescencia que solo puede explicarse con la existencia de unas radiaciones de carga positiva que viajan en sentido contrario al de los rayos catódicos. A estas radiaciones las llamó rayos canales, ya que atravesaban los canales del cátodo.
Estos rayos también se desvían en presencia de campos magnéticos hacia el lado negativo del imán, lo que confirma que dichos rayos están formados por partículas con carga positiva.
6.- MODELOS ATÓMICOS
A lo largo de la historia los científicos han ido describiendo el átomo de distintas maneras, y aunque algunas de las descripciones eran erróneas, proporcionaban información para que se describieran mejor.
6.1.- El modelo atómico de Thomson
Thomson describió el átomo como una pequeña esfera de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones. Debido a la apariencia que tenía este modelo, se llamó pudin de pasas.
6.2.- El experimento de la lámina de oro
Ernest Rutherford realizó un famoso experimento que le llevaría a elaborar su modelo atómico y a su vez sirvió para invalidar el modelo de Thomson.
Rutherford colocó una fina lámina de oro rodeada por una pantalla fosforescente y situó frente a la lámina un bloque de plomo con un orificio y en cuyo interior colocó uranio, un material radiactivo que emite espontáneamente unos rayos denominados alfa (α) de los que se sabía que poseen carga positiva.
Los rayos alfa no se ven, pero emiten un destello luminoso al llegar a la pantalla fosforescente, lo que le permitió observar lo siguiente:
La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin desviarse (por lo que Rutherford dedujo que el átomo debía ser prácticamente hueco).
Algunos rayos alfa atravesaban la lámina pero se desviaban ligeramente (por lo que Rutherford pensó que en átomo debía haber cargas positivas).
Algunos de los rayos alfa salían rebotados al llegar a la lámina (por lo que Rutherford dedujo que las partículas debían chocar con algo para salir rebotadas).
Estas observaciones le llevaron a desarrollar el modelo atómico que lleva su nombre.
6.3.- El modelo atómico de Rutherford
Según Rutherford en el átomo se distinguen dos partes:
El núcleo: que sería una pequeña zona interior donde se concentraría casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva; es decir, los protones.
La corteza: que se encontraría a gran distancia del núcleo, de modo que el átomo estaría prácticamente hueco y donde estarían los electrones girando a gran velocidad alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares.
6.4.- El descubrimiento del neutrón
A Rutherford no le salían las cuentas: la masa de los átomos era prácticamente el doble que la se obtenía al sumar la masa de los protones y de los electrones. Eso le llevó a pensar que debían existir otras partículas dentro del átomo.
En 1932, el físico inglés James Chadwick logró identificar esa partícula a la que llamó neutrón, que no tiene carga eléctrica y cuya masa es similar a la del protón.
Chadwick bombardeó una lámina de berilio con partículas alfa y observó que se producían unas radiaciones que no respondían a los campos magnéticos, deduciéndose así que dichas partículas no tienen carga eléctrica; es decir, son neutras.
El descubrimiento del neutrón permitió entender la razón por la que el átomo de helio tiene una masa 4 veces superior a la del hidrógeno, conteniendo sólo dos protones. La explicación radica en la existencia de 2 neutrones en su núcleo.
6.5.- El modelo atómico de Bohr
A la luz procedente del Sol se le llama luz blanca, aunque en realidad es una mezcla de luces de diferentes colores aunque no los veamos. Esos colores que forman la luz blanca sí se hacen visibles, por ejemplo, cuando la luz atraviesa las gotas de agua de la lluvia: se forma el arco iris. A este fenómeno se le llama dispersión, dicho de otra manera, la dispersión consiste en la separación de los colores que forman una luz compuesta cuando dicha luz se proyecta en algún medio.
Otro ejemplo es la dispersión de la luz blanca al atravesar un prisma de vidrio.
La descomposición de colores a la que da lugar una luz compuesta se llama espectro continuo, ya que los distintos colores están unos unidos a otros:
Con los elementos químicos sucede algo parecido. Si se calienta un elemento químico en estado gaseoso, sus átomos emiten radiaciones visibles, formando su espectro de emisión. A diferencia de los espectros de luz, los que producen los elementos químicos, son discontinuos; es decir, los colores que emiten están separados unos de otros:
El conjunto de líneas que forman el espectro de emisión de un elemento concreto es siempre el mismo y es además diferente al espectro de emisión de otro elemento. Esto significa que cada elemento tiene su propio espectro.
Esta nueva concepción de la luz y la energía, y las objeciones al modelo atómico de Rutherford (no explicaba por qué los electrones al girar no caían sobre el núcleo ni por qué se producían los espectros), motivó al físico danés Niels Bohr para profundizar en el estudio de la materia.
Así Bohr, centrando sus estudios en el átomo de hidrógeno, elaboró su modelo atómico en 1913 según el cual:
El electrón solo podrá girar alrededor del núcleo en ciertas órbitas circulares, a determinadas distancias del núcleo.
Cuando el electrón se encuentra en alguna de estas órbitas, el átomo ni emite ni absorbe energía.
Al suministrarle al átomo energía, el electrón puede pasar de una órbita a otra de mayor radio.
Si un electrón cae de un nivel a otro inferior (es decir a otro más cercano al núcleo), se libera o emite energía absorbiendo energía si pasa de un nivel inferior a uno superior, o emitiendo energía en forma de radiación.
A cada una de las órbitas que describen los electrones al girar alrededor del núcleo se le llama nivel de energía y cada nivel puede tener un número máximo de electrones (por ejemplo el primer nivel dos electrones, el segundo nivel ocho electrones, el tercer nivel dieciocho electrones…).
Ejemplo: dibuja los niveles de energía con los electrones correspondientes de un átomo de oxígeno y otro de sodio.
Oxígeno
Sodio
El modelo de Bohr, a pesar de que solo se podía aplicar al átomo de hidrógeno, supuso un gran avance para la química.
Otros científicos realizaron una serie de experimentos con los que llegaron a la conclusión de que alrededor del núcleo no hay órbitas tan simples como las que describió Bohr, sino capas, cada una de las cuales pueden contener varias órbitas excepto la primera capa (la más prçoxima al núcleo) que solamente puede tener una órbita.
7.- ÁTOMOS, ISÓTOPOS E IONES
7.1.- Número atómico y número másico
El número atómico de un elemento es el número de protones que tiene, y se representa con la letra Z.
Ejemplo: busca el número atómico del sodio.
Z (Na) = 11 (esto significa que el átomo de sodio tiene 11 protones).
El número másico de un elemento es el número de protones más el número de neutrones que tiene, y se representa con la letra A. Así podemos escribir:
A = Nº protones + Nº neutrones
Observaciones:
a) Cuando el átomo de un elemento sea neutro, entonces tiene el mismo número de protones que de electrones.
b) El número atómico determina el elemento correspondiente a un átomo dado, dicho de otra manera, todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico o número de protones.
Ejemplo: consulta la tabla periódica y contesta las siguientes preguntas (no olvides justificarlas):
a) ¿Cuál es el número atómico del oro? Z (Au) = 79.
b) ¿Cuántos protones tiene un átomo cualquiera de oro? Setenta y nueve, ya que el número atómico indica el número de protones que tiene cualquier átomo del elemento en cuestión, en este caso el oro.
c) ¿Cuántos electrones tiene un átomo neutro de oro? Setenta y nueve, ya que en los átomos neutros el número de electrones coincide con el número de protones.
Notación: representaremos a los átomos utilizando la siguiente expresión ZAX , donde X es el símbolo del elemento, A es como sabemos el número másico y Z el número atómico.
Ejemplo: el átomo del cloro se representa 1735Cl.
7.2.- Isótopos
Dalton pensaba que todos los átomos de un mismo elemento tenían la misma masa, pero esto no era del todo cierto. Lo que sí tienen en común todos los átomos del mismo elemento es el número de protones; es decir, el mismo número atómico, sin embargo pueden tener distinto número de neutrones y eso es lo que haría que tuvieran masas diferentes.
Se llaman isótopos a los átomos del mismo elemento, y por lo tanto tienen el mismo número de protones, pero que tienen distinto número de neutrones. Ejemplo: en la naturaleza existen tres isótopos de hidrógeno:
Los isótopos de algunos elementos se utilizan de manera beneficiosa en distintos campos.
Algunos ejemplos son:
En medicina: la radioterapia se utiliza para reducir o destruir tumores, la que la radiación elimina con más facilidad las células en proceso de división.
También se usan isótopos en la medicina nuclear para realizar por ejemplo pruebas de contraste con las que diagnosticar o descartar enfermedades.
En la industria: en la industria se emplean para averiguar si existen defectos de fabricación y para ello se hacen radiografías a las piezas.
En arqueología: para determinar la antigüedad de un fósil se mide la cantidad de un isótopo del carbono que hay presente en dicho fósil.
En agricultura: en agricultura se utilizan tanto para conservar alimentos, ya que la radiación destruye los microorganismos, como para mejorar las cosechas, ya que sirven para averiguar cómo se produce la absorción de algunos nutrientes por las plantas.
7.3.- Masa atómica
Para calcular la masa de un elemento necesitamos conocer la masa de cada uno de sus isótopos y la abundancia en la que se encuentran en la naturaleza cada uno de ellos (este dato se dará en tanto por ciento). Una vez conocidos estos datos se aplica la siguiente fórmula:
100
...
º 2
1
masa isótopo abundancia masa isótopo abundancia elemento
del Masa
er
Ejemplo: en la naturaleza existen dos isótopos del cloro (Cl), uno que tiene una masa de 35 u y se presenta con una abundancia del 76%, y otro que tiene una masa de 37 u y se presenta con una abundancia del 24%. ¿Cuál es la masa atómica del cloro?
100
º 2
1 isótopo abundancia masa isótopo abundancia Cl masa
del Masa
er
100 24 37 76 35
Cl del
Masa 100
88 2660
Cl del Masa
100
3548 Cl del
Masa Masa del Cl35,48 u
7.4.- Iones
Un ión es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Al ión que se obtiene añadiéndole electrones se le llama ión negativo o anión, y al ión que se obtiene quitando electrones se le llama ión positivo o catión.
Nota: los iones se representan igual que los átomos neutros añadiendo en la parte superior derecha un número y un signo que puede ser “más” o “menos”. El número indica la cantidad de electrones que ha ganado o perdido el átomo. El signo “más” (+) indica que el átomo ha perdido electrones (dicho de otra manera, que ha quedado cargado positivamente) y el signo “menos” (-) indica que el átomo ha ganado electrones (o lo que es lo mismo, que ha quedado cargado negativamente).
Ejemplo: Litio (Li, Z (Li) = 3)
Li Li(pierde un electrón) Li2 (gana dos electrones)
8.- RADIACTIVIDAD
La radiactividad o radioactividad es la emisión de energía por la desintegración de núcleos de átomos inestables.
Un átomo inestable es aquel que no tiene lleno su último nivel de energía ni tampoco tiene ocho electrones. Este tipo de átomos intentan alcanzar la estabilidad bien desprendiéndose de los electrones de valencia (que son los que tiene en su última capa) o bien captando electrones hasta completar su última órbita. Los núcleos de estos átomos tienen la capacidad de desintegrarse.
¿Por qué se desintegran algunos núcleos atómicos?
En los núcleos de los átomos los protones se repelen entre sí (ya que tienen el mismo tipo de carga), tendiendo a que dichos núcleos se rompan.
Sin embargo la mayoría de los núcleos atómicos no se rompen, y esto se debe a que entre los neutrones y los protones existen unas fuerzas de atracción llamadas fuerzas nucleares fuertes que lo impiden. Estas fuerzas son mucho más intensas que las de repulsión que existen entre unos protones y otros, pero solo son eficaces cuando las partículas están a poca distancia entre sí.
Si un núcleo atómico gana neutrones, por ejemplo bombardeándolo con un haz de neutrones, el núcleo cambia de forma y se hace más grande, pero llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no tiene alcance suficiente para mantener al núcleo unido y se desintegra generando mucha energía.
Esta energía se denomina energía nuclear y se produce en forma de rayos o radiaciones que pueden ser de varios tipos:
Rayos α
Son rayos formados por dos protones y dos neutrones. Recorren una distancia muy pequeña a través del aire (no más de 8 cm) y tienen poco poder de penetración, de hecho pueden ser frenados por una simple hoja de papel o la piel del cuerpo humano. Sin embrago, si se inhala, ingiere o entra de algún modo en el organismo algún elemento que emite este tipo de rayos (como por ejemplo el polonio-210), puede ser mortal.
Rayos β
Son rayos formados por electrones procedentes del núcleo. Se producen cuando en el núcleo hay un exceso de neutrones y alguno de ellos se desintegra en un protón más un electrón. Pueden recorrer a través del aire una distancia de hasta 1 ó 2 metros. Son detenidos por unos pocos centímetros de madera o una hoja delgada de metal. Al igual que las partículas alfa, los elementos que emiten este tipo de rayos pueden producir graves daños dentro del organismo.
Rayos γ
A diferencia de los rayos anteriores, en lugar de estar formados por partículas estos rayos son ondas electromagnéticas emitidas por el núcleo. Pueden recorrer cientos de metros a través del aire y su poder de penetración es muy alto, atraviesan fácilmente la piel y otras sustancias orgánicas, por lo que la exposición a este tipo de rayos puede causar graves daños internos. Son detenidos por una pared de unos 20 mm de plomo o cemento.
Radiación por neutrones
Este tipo de radiación se produce en la fisión espontánea, y tienen un poder de penetración mayor que el de las partículas gamma, de hecho solo puede detenerla una gruesa barrera de hormigón.
La radiactividad fue descubierta de forma casual por el físico francés Becquerel a finales del siglo XIX, al comprobar que una sal de uranio emitía radiaciones que velaban una placa fotográfica que tenía guarda y protegida por un papel negro.
El matrimonio formado por los físicos Pierre Curie (francés) y Marie Curie (polaca) se interesó por el descubrimiento de Becquerel e investigaron hasta que lograron descubrir dos elementos químicos altamente radiactivos a los que denominaron Radio y Polonio.
El proceso mediante el cual el núcleo de un átomo se desintegra se denomina fisión nuclear y para ello, como hemos visto, basta bombardearlo con neutrones. De esta manera se puede producir además la denominada reacción en cadena: el núcleo de un átomo es bombardeado con neutrones y se divide en varios núcleos y otros neutrones sueltos que bombardearán a su vez a los nuevos núcleos que volverán a dividirse y así sucesivamente provocando que se libere una gran cantidad de energía en un tiempo pequeñísimo.
Ese es por ejemplo el mecanismo de una bomba atómica (en la que la reacción en cadena es incontrolada y termina provocando una gran explosión) o el que se sigue en las centrales nucleares (donde sí se controla la reacción en cadena).
La energía nuclear es actualmente una de las fuentes de energía más importantes. Los elementos más utilizados en las centrales nucleares son el uranio y plutonio (que se utilizan también para fabricar pilas de larga duración como las que se emplean por ejemplo en los marcapasos o en las sondas espaciales).
Los principales problemas de las centrales nucleares son:
- Que generan residuos muy peligrosos para los seres vivos (pequeñas cantidades de residuo pueden emitir radiaciones peligrosas para la salud humana) y duraderos (algunos como el uranio siguen emitiendo radiación durante miles de años).
- Que cualquier fallo en una central puede provocar una catástrofe como la de Chernóbil en 1986.
Por el contrario, la fusión nuclear consiste en unir varios núcleos atómicos ligeros para formar un núcleo más pesado. El peso del núcleo que se forma es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros porque una pequeña parte de la masa de los átomos ligeros se convierten en energía al unirse. Aunque la cantidad de energía que se produce en este proceso varía según los núcleos que se unen, como un gramo de materia contiene millones de átomos, con poca cantidad de combustible se podría generar mucha energía, por eso se están intentando diseñar máquinas con la que obtener energía de esta manera.
La fusión más fácil de conseguir es la del deuterio (un protón y un neutrón) y el tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos protones y dos neutrones) y un neutrón. Además tanto el deuterio como el tritio son fáciles de conseguir (el deuterio se encuentra en el agua del mar y el tritio se obtiene a partir del neutrón que escapa de la reacción), con lo cual esta sería una fuente inagotable de energía y acabaría con muchos de los problemas energéticos con los que nos estamos encontrando hoy en día.
Los problemas que existen para obtener este tipo de energía son:
- Por un lado los protones de los núcleos que se quieran unir intentarán repelerse por tener el mismo tipo de carga. Se podría solventar con un acelerador de partículas para provocar un choque entre los núcleos, pero la energía que se necesita para ello sería mayor que la que se obtendría con la fusión.
- Otra forma de conseguir la fusión sería calentando el combustible, pero se necesitan temperaturas de cientos de millones de grados para hacerlo, temperaturas que podemos encontrar en la naturaleza solamente en las estrellas (incluido el Sol).
