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TEMA 1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE ESTRUCTURA ATÓMICA.
La materia se define como todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Algunos fácilmente observados como una piedra, que puede ser vista y tenerla en la mano, otros se reconocen con menos facilidad o no pueden ser percibidos por uno de los sentidos; por ejemplo, el aire.
Desde la Antigüedad, se consideró que la materia era continua e indivisible hasta que en el siglo XVIII diversos experimentos confirmaron que era posible separarla en partículas más pequeñas que llamamos átomos.
Los átomos de Dalton
En 1808, en su libro Nuevo sistema de filosofía química, John Dalton (1766-1844) sentó las bases de la teoría atómica. En esta obra postulaba que la materia está compuesta por unidades elementales, a las que denominó átomos. Su hipótesis se basó en los siguientes postulados:
Los elementos están constituidos por átomos, que son partículas materiales independientes, inalterables e indivisibles. Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en el resto de propiedades. Los átomos de distintos elementos tienen diferentes masas y propiedades. Los compuestos se forman por la unión de los átomos de los correspondientes elementos según una relación de números enteros sencilla. En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente se redistribuyen para formar nuevos compuestos.
Una vez que Dalton enunció su teoría atómica, esta fue recibida con escasa oposición por la mayoría de los científicos de la época, a pesar de ser revolucionaria, pues consideraba a la naturaleza como discontinua, algo sumamente novedoso para su tiempo.
Estas ideas de Dalton suponen el primer modelo teórico para explicar la química moderna. El principal argumento a favor de la validez de la teoría atómica de Dalton era que permitía interpretar de forma lógica todas las leyes ponderales, que veremos en la unidad siguiente.
Posteriormente, el químico sueco Jakob Berzelius (1779-1848) determinó las masas atómicas de algunos elementos, con lo que la inclusión del átomo como unidad básica en la estructura dela materia fue un hecho aceptado por la sociedad científica.
En la actualidad, el átomo se define como: « La menor partícula constitutiva del elemento que conserva las propiedades de este y no puede dividirse por métodos químicos » o también como: « La partícula más pequeña de un elemento que puede participar en una combinación química ».
Los modelos atómicos
Una vez descubierta la existencia de partículas negativas y positivas como partículas componentes de los átomos, era preciso explicar cómo se estructuraban para formarlos. Los científicos proponían diversos modelos que intentaban explicar la constitución de los átomos.
El modelo de Thomson
En 1898, Joseph J. Thomson (1856-1940) propuso su modelo atómico, que suponía básicamente la existencia de una esfera de electricidad positiva (pues todavía no se habían descubierto los protones como partículas individuales), que incluía encajados tantos electrones como fueran necesarios para neutralizarla.
Este modelo es coherente con los experimentos en tubos de descarga realizados en la época, ya que encaja bien con la existencia de iones positivos formados al desprenderse los electrones por choques entre los átomos que constituyen el gas, y también con la electroneutralidad observada en la materia.
El modelo de Rutherford
El científico británico Ernest Rutherford, en 1911, a fin de obtener información acerca de la estructura de los átomos, propuso un experimento consistente en bombardear con partículas a una lámina de oro de unos 5 000 Å de grosor, que tiene una anchura de unos dos mil átomos, observando los choques de las partículas que la atravesaban sobre una pantalla situada detrás de ella.
Rutherford esperaba que las «pesadas» partículas α ( núcleos de helio, es decir, iones de He+2 ), con gran energía cinética, atravesarían la lámina con facilidad, ya que sus átomos tendrían la carga positiva uniformemente distribuida, según el modelo postulado por Thomson. Observó que eso era lo que sucedía para la mayor parte de dichas partículas, pero, para su sorpresa, algunas se desviaban claramente e incluso otras rebotaban en la lámina.
A tenor de los resultados, elaboró un modelo basado en las siguientes conclusiones:
- La materia está prácticamente «hueca», pues la mayor parte de las partículas α la atraviesan sin desviarse.
- Las partículas α rebotan debido a las repulsiones electrostáticas que sufren al pasar cerca de las cargas positivas. Ya que esto ocurre muy raramente, es preciso que dichas cargas ocupen un espacio muy pequeño en el interior del átomo, al cual denomina núcleo. Este constituye la parte positiva del átomo y contiene casi toda su masa. El posterior descubrimiento de los protones confirmó la existencia del núcleo y que los protones se agrupan en él.
- Deben existir partículas neutras en el núcleo para evitar la inestabilidad por repulsión entre los protones.
- Los electrones deben moverse alrededor del núcleo, a fin de que su giro compense la fuerza electrostática de atracción entre cargas de signos contrarios, y así no precipitarse sobre él.
Existen dos conceptos que caracterizan los núcleos atómicos:
Has de tener presente que:
Los símbolos químicos pueden estar rodeados de cuatro números: a la izquierda, en la parte superior, el número másico ( A ), y en
la parte inferior, el número atómico ( Z ); a la derecha, en la parte superior, la carga iónica si ha perdido o ganado electrones ( Q ), y
en la parte inferior, el número de átomos presentes de ese elemento ( n ).
Ejemplo:
Indica el número de protones, neutrones y electrones de los siguientes átomos o iones:
a) Mg (Z = 12, A = 24).
b) As (Z = 33, A = 75).
c) S-2^ (Z = 16, A = 32).
d) Ag+^ (Z = 47, A = 108).
Solución
a)
El magnesio (Mg) tendrá 12 protones por ser Z = 12, y como su carga total es nula, tendrá otros 12 electrones, mientras que sus
neutrones serán A - Z =24 - 12 = 12.
b)
El arsénico (As) tendrá 33 protones y 33 electrones por ser un átomo neutro, con Z = 33, y 42 neutrones, puesto que
n = ( A - protones) = 75 - 33 = 42.
c)
El ion sulfuro (S-2) tendrá 16 protones por ser Z = 16, y como su carga total es -2, ha ganado dos electrones, tendrá 18, y como
su masa es 32, sus neutrones serán 32 - 16 = 16.
d)
El ion plata (Ag+) tendrá 47 protones por ser Z = 47, mientras que su carga indica que ha perdido un electrón, así que tendrá 46,
mientras que sus neutrones serán 108 - 47 = 61.
