¿Qué es un átomo?
Un átomo es una
partícula (en otras palabras, una "parte" de la materia) de tamaño
microscópico. Está presente en la mayoría de las sustancias que nos
rodean pero también en las que nos constituyen.
Los átomos son los constituyentes de:
- gas
- liquidos
- sólido
- moléculas
- materia mineral (agua, dióxido de carbono, etc.)
- materia orgánica (carbohidratos, proteínas
lipídicas, etc.)
- rieles
- plástica
- tejido vivo
- planeta tierra crudo
- materiales de todos los planetas
- materia del sol
- todos los materiales estrella
- asuntos de todas las estrellas
La
historia de la teoría atómica
En primer lugar, cabe
señalar que la teoría atómica defiende la idea de que la materia está
formada por partículas llamadas "átomos". Hoy parecería absurdo dudarlo
pero no siempre ha sido así, esta teoría está en el origen de
controversias, debates animados y durante mucho tiempo ha sido
descuidada a favor de la teoría de los 4 elementos de Aristóteles.
- La historia retiene que el concepto de átomo fue
forjado por el filósofo griego Leuccipe (nacido en -460 y muerto en
-370) y su discípulo Demócrito de Abdera (¡llamado el “filósofo
risueño”!, También nacido en - 460 y muerto en - 370) quienes
consideran que toda la materia contiene en su interior estas partículas
indivisibles.
- La teoría atómica fue suplantada durante casi
2000 años por la teoría de los cuatro elementos de Aristóteles, que
describe la materia como una combinación de fuego, aire, agua y tierra.
- En 1802, el químico británico John Dalton expuso
una teoría atómica moderna más elaborada en la que identificó 6 tipos
de átomos (hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre)
capaces de combinarse para formar diferentes compuestos. Esta nueva
teoría atómica se basa en mediciones de masas, proporciones y
especialmente en el principio de conservación de la masa planteado por
Lavoisier.
- En 1808, John Dalton desarrolló esta teoría en un
trabajo titulado “Un nuevo sistema de filosofía química” que puede
traducirse como “Un nuevo sistema de filosofía química”.
- En 1897 el físico británico Joseph John Thomson
obtuvo, durante un experimento, un haz de cátodo formado por partículas
negativas provenientes de una pieza metálica denominada "cátodo". Él
deduce que estas partículas negativas provienen de los átomos del
cátodo y así demuestra que el átomo no es una partícula elemental: está
formado, entre otras cosas, por partículas más pequeñas y negativas
llamadas electrones.
- En 1904, tras el descubrimiento del electrón,
Thomson propuso un modelo atómico llamado “pudín de ciruela” (o torta
de pasas) en el que describía el átomo como una especie de masa
positiva en la que estarían incrustados granos negativos (electrones).
- En 1909 el físico británico Ernest Rutherford
llevó a cabo un experimento conocido como el “experimento de
Rutherford” en el que bombardeó una hoja de oro con partículas alfa.
Estas partículas cargadas positivamente son emitidas por una fuente
radiactiva y en su mayoría pasan a través de la hoja de oro sin ser
desviadas. Solo una pequeña fracción de ellos se desvía o se recupera.
Rutherford deduce que los átomos de oro están formados por una
estructura central positiva a la que llama "núcleo". Este núcleo sería
el responsable de la deflexión de ciertas partículas alfa (debido a la
fuerza eléctrica repulsiva que ejerce) mientras que las otras pasarían
por el espacio vacío que separa el núcleo de los electrones.
- En 1911 Ernest Rutherford propuso un modelo
atómico planetario basado en los resultados de su experimento, propuso
describir el átomo como la asociación de un núcleo central positivo que
concentra la mayor parte de la materia atómica alrededor de la cual los
electrones negativos girarían como los planetas giran alrededor del Dom.
- En 1913, el físico danés Niels Bohr propuso un
modelo cuántico del átomo (también llamado modelo de Bohr) que, a
diferencia del modelo de Rutherford, explica la órbita estable de los
electrones alrededor del núcleo, así como las emisiones y la radiación
de absorción. En este modelo los electrones aún giran alrededor del
núcleo pero solo pueden adoptar ciertas órbitas particulares, cada una
de las cuales coincide con un nivel de energía (lo que permite explicar
la existencia de espectros de emisión y absorción). Es este modelo el
que se usa en la escuela secundaria.
- En 1926, el físico austriaco Erwin Schrödinger
propuso un modelo cuántico del llamado átomo probabilístico. Adapta el
modelo de Bohr y resuelve sus contradicciones aplicando las leyes de la
mecánica cuántica al átomo: los electrones ya no están claramente
ubicados alrededor del átomo, se describen mediante ecuaciones de las
que se deducen las probabilidades de presencia.
Estructura
y constituyentes del átomo
Un átomo está formado
por tres tipos de partículas:
- Electrones
- Neutrones
- Protones
Los protones y neutrones tienen tamaños y masas
similares, pertenecen a la misma familia de partículas: los nucleones.
Estas son las partículas que forman el núcleo del átomo.
El núcleo es la parte central del átomo, concentra la
mayor parte de la materia de este último. Los nucleones se mantienen
juntos allí por una fuerza nuclear mucho más intensa que la fuerza
eléctrica repulsiva ejercida entre los protones. Dado que los neutrones
son partículas neutras y cada protón lleva una carga elemental
positiva, el núcleo siempre está cargado positivamente y tiene un
número de cargas elementales igual al número de protones. Un núcleo
generalmente tiene un número similar (pero no siempre idéntico) de
protones y neutrones.
Los electrones son partículas que tienen cada una una
carga eléctrica elemental negativa, giran alrededor del núcleo
siguiendo ciertas órbitas (formando capas electrónicas). Todos los
electrones de un átomo constituyen lo que se llama nube electrónica.
Esta nube electrónica tiene una carga eléctrica negativa que es
exactamente opuesta a la del núcleo.
Entre el núcleo y los electrones hay un inmenso espacio
vacío, este último es incluso el constituyente mayoritario del átomo:
se dice que este último tiene una estructura lacunar. El átomo tiene un
radio cuyo orden de magnitud es de 10-10 m, mientras que el
del núcleo suele ser de 10-14 m (excepto para los átomos
pequeños). Si el núcleo fuera una esfera de 1 m, entonces los
electrones evolucionarían a unos 10 km con una zona intermedia vacía.
Esto representa una proporción del 99,99999999999% de vacío.
La forma de un átomo
Un átomo no tiene una
“superficie” claramente definida, su borde coincide con las
trayectorias de los electrones más externos (los más alejados de los
núcleos). Sin embargo, por simplicidad, se considera que un átomo tiene
forma esférica.
El tamaño de un átomo
El hidrógeno es el
átomo más pequeño (número atómico Z = 1) y tiene un radio de 2,5.10-11 m
El cesio (número atómico Z = 55) es el más grande con
un radio atómico de 2,6.10-10 m
Para simplificar, podemos retener que los átomos son
esferas cuyo radio es del orden de magnitud 10-10
m
Neutralidad eléctrica
Un átomo es una
partícula eléctricamente neutra, lo que
significa que su carga eléctrica total es cero: las cargas eléctricas
negativas de los electrones se compensan con las cargas positivas del
núcleo.
Dado que cada electrón tiene una carga -e y cada protón
una carga + e,
esta neutralidad implica que un átomo tiene el mismo número de
electrones que de protones.
Dado que el número atómico Z de un átomo corresponde al
número de protones, también corresponde al número de electrones.
Número atómico
Un átomo es una
partícula eléctricamente neutra, lo que significa que su carga
eléctrica total es cero: las cargas eléctricas negativas de los
electrones se compensan con las cargas positivas del núcleo.
Dado que cada electrón tiene una carga -e y cada protón
una carga + e, esta neutralidad implica que un átomo tiene el mismo
número de electrones que de protones.
Dado que el número atómico Z de un átomo corresponde al
número de protones, también corresponde al número de electrones.
El número de
nucleones
El número de
nucleones de un átomo se anota A (en mayúsculas) representa el número
total de nucleones presentes en el núcleo y por lo tanto corresponde a
la suma del número de protones y neutrones: A = Z + N.
Este número también se llama "Número de masa" porque
debido a la definición elegida para el mol, un átomo con un número de
nucleones "A" tiene una masa molar de valor A (en g/mol). Por tanto, el
isótopo 12 del carbono (A = 12) tiene una masa molar de 12 g/mol.
El número de
neutrones
El número de
neutrones se anota N, generalmente no se menciona en la tabla
periódica, pero se puede deducir del número de nucleones (A) y del
número de protones (Z):
N = A - Z
Los átomos con el mismo número atómico (por lo tanto,
correspondientes al mismo elemento) pueden tener diferentes números de
neutrones: entonces se dice que son isotópicos entre sí.
En general, el número de neutrones es idéntico o muy
cercano (en unas pocas unidades más o menos) al número atómico,
especialmente para los átomos de las primeras filas de la tabla
periódica.
Describe
la composición de un átomo
Describir la
composición de un átomo consiste en indicar el número de electrones,
protones y neutrones que lo constituyen. Dependiendo de la situación y
los datos del problema, hay varias formas de encontrar estos números,
pero la mayoría de las veces usamos la tabla periódica.
Si se conoce el nombre o el símbolo del átomo, entonces
la tabla periódica permite encontrar el número atómico Z así como el
número de nucleones A:
- Por definición, el número atómico corresponde al
número de protones
- Dado que el átomo es neutro, Z también es el
número de electrones
- El número de neutrones se deduce de la diferencia
entre el número de nucleones y el de protones: N = A - Z
Nota
También podemos deducir:
- Z de la carga Q del núcleo con la relación Z = Q
/ e ("e" es el valor de carga elemental)
- Z de la carga Q 'de la nube electrónica con Z =
-Q / e
- A de la masa m del núcleo con A = m / mn
(donde mn es
la masa de un nucleón)
Símbolos atómicos
Cada elemento químico
está asociado a un símbolo siempre compuesto:
- al menos una letra mayuscula
- posiblemente seguido de una letra minúscula
Notas
- Es necesario respetar estas convenciones de
escritura. Por ejemplo, el símbolo del cobre es Cu, si está escrito
completamente en mayúsculas, obtenemos la notación CU que ya no
designa al cobre sino a la asociación bastante improbable de un
elemento de carbono (C) y un elemento de uranio (U).
- La letra mayúscula suele ser la primera del
nombre del átomo, pero no necesariamente la del nombre español. Ejemplo
es del nombre latino "aurum" que se formó el símbolo atómico del oro
(Au).
Hay un centenar de elementos diferentes y tantos
símbolos atómicos, no es necesario conocerlos todos pero sí es
necesario recordar los más comunes.
| Átomos
en materia orgánica |
| Hidrógeno |
H |
| Oxígeno |
O |
| Carbón |
C |
| Nitrógeno |
N |
| Azufre |
S |
| Cloro |
Cl |
| Rieles |
| Planchar |
Fe |
| Cobre |
Cu |
| Zinc |
Zn |
| Dinero |
Ag |
| Oro |
Au |
| Aluminio |
Al |
| Halógenos |
| Flúor |
F |
| Cloro |
Cl |
| Bromo |
Br |
| Yodo |
I |
| Gases
nobles |
| Helio |
He |
| Neón |
Ne |
| Argón |
Ar |
| Otro |
| Sodio |
Na |
| Magnesio |
Mg |
| Calcio |
Ca |
Isótopos
Dos átomos se
califican como isótopos siempre que tengan el mismo número de protones
en su núcleo pero un número diferente de neutrones.
Corresponden al mismo elemento químico, tienen las
mismas propiedades
Las
transformaciones del átomo
Un átomo puede sufrir
dos tipos de transformaciones: químicas o nucleares.
- Transformaciones
químicas
Ya sea que un átomo esté aislado (como un cuerpo
monoatómico puro) o sea parte de una molécula, una transformación
química puede causar:
una modificación del número o de la naturaleza de los
enlaces covalentes en los que participa.
una variación (pérdida o ganancia) en el número de
electrones.
En cada uno de estos casos, es la estructura
electrónica la que se ve afectada por las desventajas; el núcleo nunca
se modifica por una transformación química.
- Transformaciones
nucleares
Estas transformaciones afectan al núcleo de los átomos,
el número y la naturaleza de los nucleones pueden variar y las energías
involucradas son claramente superiores a las de las transformaciones
químicas.
Energía
Atómica
La energía atómica, también llamada energía nuclear, designa la energía
que posee el núcleo del átomo (nuclear deriva del latín "núcleo" que
significa "núcleo"). Esta energía se intercambia durante las
transformaciones nucleares, se puede utilizar:
para llevar a una reacción en cadena rápida e incontrolada que resulta
en una explosión violenta (bomba nuclear).
para producir energía eléctrica a través de la fisión nuclear
controlada (en plantas de energía nuclear)
También es la energía que alimenta al Sol y otras estrellas gracias al
fenómeno de la fusión nuclear.
¿Cuál es
el origen de los átomos?
Según la teoría del
Big Bang, el Universo primitivo no contenía materia sino solo energía.
Es esta energía la que permitió la formación de las primeras partículas
como electrones, protones y neutrones, de hecho Albert Einstein
demostró a partir de su famosa ecuación E = mc2
que existe una equivalencia entre energía y
materia:
- una masa “m” de la materia se puede convertir en
una forma de energía de valor E (con E = mc2 )
- pero lo contrario también es cierto, una energía
de valor E puede formar una masa “m” de material tal que m = E / c2
El Universo era entonces lo suficientemente denso y
caliente como para que los primeros nucleones se fusionaran para formar
núcleos atómicos más grandes, dando lugar a los elementos más ligeros:
principalmente hidrógeno, helio, litio, berilio, boro.
Los elementos más pesados se formaron luego,
nuevamente por fusión nuclear, dentro de las estrellas, ya sea durante
su ciclo de vida o durante su fase explosiva (supernova).