Estructura atómica y propiedades

El crédito del origen de la historia de la estructura atómica y la mecánica cuántica es para Demócrito. Fue el primero en proponer que la materia está formada por átomos. Todo el campo de las reacciones químicas, enlaces, propiedades físicas está todo relacionado con la estructura atómica. La primera teoría científica de la estructura atómica fue dada por John Dalton en 1800. Una vez que se descubrió la estructura atómica, también sentó las bases para el descubrimiento de las partículas subatómicas, las partículas fundamentales que forman la estructura de una materia.

La estructura atómica de un elemento se refiere a su núcleo y su constitución, cómo y de qué material está hecho. También involucra a los electrones que existen alrededor del núcleo. Las cosas primarias que hacen una estructura atómica de la materia son protones, electrones y neutrones. Los neutrones y los protones están en el centro del átomo y forman el núcleo, y el núcleo está rodeado por los electrones que pertenecen al átomo. El número atómico de un elemento es el número total de protones presentes en el núcleo del átomo de ese elemento.

Los átomos que son neutros en cuanto a la carga, tienen igual número de protones y electrones. Esto hace que el átomo sea neutral porque los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa. Pero los átomos tienen la capacidad de perder o ganar electrones para aumentar su propia estabilidad y la entidad resultante tiene una naturaleza cargada y se llama ion.

No hay dos elementos que tengan el mismo número de protones y electrones, esto hace que la estructura atómica de cada elemento sea diferente. Esta es la razón principal detrás de las características únicas de cada elemento. Muchos científicos de todo el mundo, en los siglos XVIII y XIX, intentaron explicar la estructura atómica con la ayuda de sus propios modelos atómicos. Cada uno de estos modelos tenía sus propios puntos positivos y negativos. Pero todos jugaron un papel muy importante en el desarrollo del modelo atómico moderno. Los contribuyentes más destacados en este campo fueron JJ Thompson, John Dalton, Emest Rutherford y Neils Bohr.  

Terminología importante

• Átomo : la estructura definitoria y las unidades básicas de materia de un elemento se denominan átomos. El término «átomo» proviene de una palabra griega que significa indivisible porque antes se pensaba que el átomo era la cosa más pequeña del universo que no podía dividirse.
• Estructura atómica : la estructura de un átomo que consta de un núcleo, en el que están presentes los protones y los neutrones. Las partículas cargadas negativamente llamadas electrones giran alrededor del centro del núcleo.
• Núcleo : una colección de partículas llamadas protones y neutrones se llama Núcleo. Los protones tienen carga positiva y los neutrones son eléctricamente neutros. Los protones y los neutrones están formados por partículas llamadas quarks. El elemento químico de un átomo está determinado por el número de protones, o el número atómico, Z, del núcleo.
• Protón : las partículas cargadas positivamente que se encuentran dentro de los núcleos atómicos reciben el nombre de Protón. Rutherford descubrió el protón en su famoso experimento de rayos catódicos que se llevó a cabo entre 1911 y 1919. Los protones tienen aproximadamente un 99,86 % de la masa de los neutrones. El número de protones en un átomo es único para cada elemento.
• Electrón : los electrones son muy pequeños en comparación con los protones y los neutrones, aproximadamente 1800 veces más pequeños que un protón o un neutrón. Los electrones tienen solo un 0,054% de la masa de los neutrones. Los electrones fueron descubiertos en 1897 por Joseph John (JJ) Thomson, un físico británico. Los electrones tienen carga negativa y son atraídos eléctricamente por los protones cargados positivamente.
• Neutrón : Rutherford teorizó sobre la existencia del neutrón en 1920 y luego fue descubierto por Chadwick en 1932. Los neutrones se encontraron durante experimentos en los que se dispararon átomos contra una delgada lámina de berilio. Se liberaron partículas subatómicas sin carga y se denominaron neutrones. Los neutrones son partículas sin carga que se encuentran dentro de todos los núcleos atómicos.
• Isótopos : los miembros de la misma familia de un elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones se denominan isótopos. El número de protones en un núcleo determina el número atómico del elemento en la tabla periódica. Todos los isótopos tienen propiedades únicas, al igual que todos los miembros de la familia tienen sus propias cualidades. 

La teoría atómica de Dalton

John Dalton fue un químico británico y sugirió que toda materia está formada por átomos. También que los átomos son indivisibles e indestructibles. También sugirió que todos los átomos de una materia en particular son todos iguales, pero los átomos de diferentes elementos tenían diferente tamaño y masa.

De acuerdo con la teoría atómica de Dalton, las reacciones químicas implican la reorganización de los átomos para formar los productos. Según los postulados propuestos en su teoría, la estructura atómica está formada por átomos y estos son las partículas más pequeñas responsables de que ocurran las reacciones químicas.

Postulados de la teoría de Dalton:

• Cada materia que existe está hecha de átomos.
• Los átomos son indivisibles.
• Un elemento particular tiene solo un tipo de átomo en él.
• Un átomo tiene una masa constante que varía para cada elemento.
• Durante una reacción química, los átomos se reordenan
• Los átomos no pueden crearse ni destruirse, solo pueden transformarse de una forma a otra.

La teoría atómica de Dalton logró explicar con éxito las Leyes de las reacciones químicas, denominadas como Ley de conservación de la masa, Ley de las propiedades constantes, Ley de las proporciones múltiples y Ley de las proporciones recíprocas.

Deméritos de la teoría atómica de Dalton

1. Esta teoría no fue capaz de explicar la existencia de isótopos.
2. No se proporcionó ninguna explicación apropiada con respecto a la estructura de los átomos.
3. Más tarde se descubrió que los átomos eran divisibles y se demostró que la afirmación de Dalton de que los átomos eran indivisibles era incorrecta.

El descubrimiento de las partículas constituyentes de los átomos condujo a una mejor comprensión de los productos químicos, estas partículas constituyentes se denominan partículas subatómicas.

Modelo atómico de Thomson

Sir Joseph John Thomson, quien también fue un químico inglés famoso por su descubrimiento de los electrones, por el cual también obtuvo el Premio Nobel. Realizó un experimento de rayos catódicos para inventar electrones. En este experimento se toma un tubo de vidrio que tiene dos aberturas. Una abertura es para la bomba de vacío y la otra es para la admisión a través de la cual se empuja el gas que se va a llenar en el tubo. Usando la bomba de vacío, se mantiene una bomba de vacío parcial dentro de la cámara de vidrio. Con la ayuda de electrodos, se conecta una fuente de alimentación de alto voltaje. En palabras simples, se colocan un cátodo y un áNode dentro del tubo de vidrio.

Se hicieron las siguientes observaciones cuando se permitió que la corriente fluyera entre el cátodo y el áNode.

1. Cuando la energía de alto voltaje está conectada y encendida, los rayos se transmiten desde el cátodo hacia el áNode. Se observaron puntos fluorescentes en la pantalla de ZnS y se confirmó el hecho de que los rayos se estaban transmitiendo. A estos rayos se les dio el nombre de ‘Rayos Catódicos’.
2. Cuando se proyectó un campo eléctrico externo sobre el tubo, los rayos se desviaron hacia el electrodo positivo. Pero en ausencia del campo eléctrico, los rayos volvieron a la línea recta.
3. Pero cuando las palas del rotor se fijaron en la trayectoria de los rayos catódicos, los rayos parecían girar. Esto probó que los rayos catódicos estaban hechos de alguna partícula que tenía algo de masa.
4. Usando todas las evidencias, Thomson llegó a la conclusión de que los rayos catódicos están compuestos de partículas cargadas negativamente llamadas electrones.
5. Al aplicar campos eléctricos y magnéticos en el rayo catódico, se encontró la relación carga/masa (e/m). El e/m para el electrón resultó ser 17588 × 10 ¹¹ e/bg

Mullikin hizo un experimento con una gota de aceite para encontrar la carga del electrón usando la relación e/m. Encontró la carga del electrón = 1,6 x 10 ^-16 C y la masa del electrón = 9,1093 × 10 ^-31 kg. Thomson describió la estructura del átomo como una esfera cargada positivamente en la que estaban atrincherados los electrones cargados negativamente. El nombre popular que se le da a este modelo es el «modelo de pudín de ciruelas» porque se puede observar como un plato de pudín de ciruelas donde el átomo con carga positiva representa el pudín y los trozos de ciruela representan los electrones.

La razón del fracaso del modelo de Thomson es que este modelo no es claro acerca de la estabilidad de un átomo. Este modelo no podría ajustarse a otras partículas subatómicas descubiertas en el futuro.

Experimento de dispersión de rayos alfa y teoría atómica de Rutherford

Rutherford, que fue alumno de JJ Thomson, descubrió otra partícula subatómica llamada Núcleo. Este descubrimiento hizo grandes cambios en la estructura atómica. Las observaciones realizadas por Thompson en su experimento fueron utilizadas por Rutherford para proponer su teoría de la estructura atómica.

Rutherford utilizó el fenómeno de la radiactividad para realizar su experimento. Usó material radiactivo bromuro de radio (RaBr). RaBr emite partículas α, que es una forma de radiación. Se colocó una fina hoja de metal dorado en la configuración. Luego, las partículas α fueron bombardeadas en esta hoja. Para observar la deflexión de las partículas se utilizó una pantalla de Sulfuro de Zinc (ZnS) y se colocó detrás de la lámina de Oro. Rutherford desarrolló además un detector para contar el número de partículas radiactivas. Inicialmente, registró la tasa de conteo de RaBr mientras llevaba un conteo de partículas α emitidas por minuto.

Observación del modelo de Rutherford

Rutherford hizo las siguientes observaciones y sacó conclusiones:

• La mayoría de las partículas α pasaron a través de láminas delgadas. Esto significa que la mayor parte del espacio del átomo está vacío.
• Otra observación que se hizo fue que algunas de las partículas α se desviaron un poco en todas las direcciones. Esto lleva a la conclusión de que la carga positiva no se distribuye uniformemente por todo el átomo.
• Muy pocas partículas α se desvían a lo largo del camino por el que viajaban. Esto sucedió debido a que las cargas se repelen entre sí. Al ver esto, Rutherford concluyó que la carga positiva en un átomo existe en un volumen muy pequeño.
• No solo las partículas cargadas positivamente, sino también mucha masa se concentra en un volumen muy pequeño. Rutherford nombró a esta región como Núcleo.
• Rutherford también propuso el argumento de que los electrones están presentes en órbitas alrededor de las órbitas, al igual que los planetas del sistema solar. Los electrones tienen carga negativa y giran alrededor del núcleo.
• Los electrones y el núcleo son retenidos por la fuerza de atracción electrostática porque tienen carga negativa y positiva respectivamente.

Conclusión del modelo de Rutherford

Al sacar conclusiones de todas las observaciones anteriores, Rutherford propuso su estructura atómica que tenía las siguientes propiedades:

1. El núcleo se encuentra en el centro del átomo, y sólo allí se concentra el máximo de la carga y la masa.
2. Los átomos son de naturaleza esférica.
3. Los electrones giran alrededor del núcleo en una órbita circular.

Limitaciones del modelo de Rutherford

Al igual que otros modelos atómicos, el modelo de Rutherford también tenía muchas deficiencias.

1. Para girar alrededor del núcleo tendrán que gastar energía y eso también contra la fuerte fuerza de atracción del núcleo. Los electrones gastarán mucha energía y eventualmente perderán toda la energía y caerán en el núcleo. Esto plantea serias dudas sobre la estabilidad del átomo.
2. Si los electrones giran continuamente alrededor del núcleo, entonces el espectro que emiten debería ser un espectro continuo, pero lo que observamos es un espectro lineal.

Partículas subatómicas

protones

• Los protones tienen carga positiva. Esta carga es 1e, que es aproximadamente 1.602 × 10 ^-19
• La masa de un protón es aproximadamente 1.672 × 10 ^-24
• Los protones son más de 1800 veces más pesados ​​que los electrones.
• El número total de protones en los átomos de un elemento y el número atómico del elemento es siempre igual.

neutrones

• La masa de un neutrón es casi similar a la de un protón, es decir, 1,674 × 10 ^-24
• Los neutrones son siempre partículas eléctricamente neutras y no llevan ninguna carga.
• Los isótopos de un elemento tienen el mismo número de protones pero diferente número de protones en sus respectivos núcleos.

electrones

• La carga de un electrón es -1e, que es aproximadamente -1.602 × 10 ^-19
• La masa de un electrón es de aproximadamente 9,1 × 10 ^-31 .
• La masa de un electrón es casi insignificante en comparación con la masa de un átomo, por lo que la masa de un electrón se ignora al calcular la masa de un átomo.

Estructura atómica de isótopos

Todos los componentes se juntan bajo el nombre de Nucleones de un átomo. Puede ser un neutrón o un protón. El número de protones es único para cada elemento, lo que se denota por su número atómico único. Puede haber múltiples estructuras atómicas para un elemento, pero tener diferentes números de nucleones. Estas variantes de un elemento tienen diferente número de nucleones. Estas variantes se denominan isótopos de los elementos. Esto lleva al hecho de que los isótopos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

Para describir la estructura de un isótopo, se utiliza el símbolo del elemento junto con el número atómico y el número de masa del isótopo. Para dar un ejemplo, el hidrógeno tiene 3 isótopos llamados protio, deuterio y tritio. La estabilidad de los isótopos es diferente. Las vidas medias también son diferentes. Pero generalmente tienen un comportamiento químico similar porque tienen las mismas estructuras electrónicas.

La teoría atómica de Bohr

Bohr propuso su modelo en 1915 y es el modelo atómico más utilizado y se basa en la teoría de la cuantización de Planck. La teoría de Bohr es aplicable a la estructura atómica modificada. Explica que los electrones siempre se mueven solo en orbitales fijos y que no están presentes en todas partes del átomo. Bohr también explicó que cada órbita es un nivel de energía fijo. Una órbita también se llama caparazón. Rutherford solo explicó el núcleo del átomo. Bohr hizo cambios a ese modelo y agregó electrones y niveles de energía.

El modelo de Bohr es un pequeño núcleo con carga positiva que está rodeado de electrones negativos y se mueven en órbitas. Bohr descubrió que cuanto mayor es la distancia de un electrón al núcleo, mayor es su energía.

Postulados:

1. Dentro de los átomos, los electrones están presentes en órbitas discretas llamadas «órbitas estacionarias».
2. Los números cuánticos se utilizan para representar los niveles de energía de estas capas.
3. Los electrones pueden ir a niveles más altos al absorber energía y pasar a niveles de energía más bajos al perder o emitir algo de energía.
4. Solo cuando un electrón permanece en su propia órbita, no se produce absorción ni emisión de energía.
5. Los electrones giran únicamente en estas órbitas estacionarias.
6. La energía de las órbitas estacionarias está cuantificada.

Limitaciones de la teoría atómica de Bohr:

• Funciona solo para especies de un solo electrón como H, He+, Li2+, Be3+, ….
• Cuando se usó un espectrómetro más preciso para observar el espectro de emisión de hidrógeno, se vio que cada espectro de línea era una combinación de múltiples líneas discretas más pequeñas.
• La teoría de Bohr no pudo explicar los efectos de Stark y Zeeman.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Cuáles son las ventajas de la Tabla Periódica?

Responder:

En la tabla periódica, los elementos están ordenados en forma tabular. Esto hace que sea fácil recordar las propiedades de los elementos si se conoce la posición del elemento. También los compuestos formados por los elementos son predecibles si se conoce la posición del elemento. La tabla periódica hizo fácil y sistemático el estudio de la química.

Pregunta 2: Si el número de electrones y el número de protones es igual en un átomo, ¿por qué es incorrecto decir que el número atómico del elemento es el mismo que el número de electrones?

Responder:

Es incorrecto decir que el número atómico del elemento es el mismo que el número de electrones porque un átomo puede perder o ganar electrones, por lo que el número de electrones sigue cambiando y nunca son constantes. Mientras que el número de protones nunca cambia para un elemento. Es por eso que el número atómico se toma del número de protones.

Pregunta 3: Los electrones aportan carga negativa, los protones aportan carga positiva. Un átomo tiene ambos, pero ¿por qué no hay carga?

Responder:

Según el modelo de Thomson de un átomo, la cantidad de electrones y la cantidad de protones son iguales en un átomo. Los electrones tienen carga negativa y los protones tienen carga positiva, por lo tanto, las cargas + y – se neutralizan entre sí, lo que hace que los átomos sean neutrales en su conjunto.

Pregunta 4: ¿Por qué el modelo de Rutherford no podía explicar la estabilidad de un átomo?

Responder:

Según la teoría electromagnética de Maxwell, cuando las partículas cargadas se aceleran, deberían emitir radiación electromagnética. De manera similar, un electrón en su órbita se mueve a una velocidad muy alta y emitirá radiación; la órbita continuará reduciéndose y el electrón finalmente caerá en el núcleo, lo que no sucede en un átomo.

Pregunta 5: ¿Cuáles son los defectos de la teoría atómica de Dalton?

Responder:

Se encontraron múltiples fallas en la teoría atómica de Dalton. El mayor defecto fue que los átomos no son las partículas elementales de la materia, sino que se dividen en tres categorías principales conocidas como electrones, protones y neutrones. Pero son las entidades más pequeñas que intervienen en una reacción química. El descubrimiento de isótopos condujo además a un defecto crucial en esta teoría. Inicialmente se decía que los mismos elementos tienen átomos similares, pero los isótopos demostraron que los átomos en algunos elementos pueden tener densidades y masas variables. De manera similar, el descubrimiento de isobar negó el hecho de que los átomos son diferentes para diferentes elementos. La teoría de la razón de números enteros también resultó incorrecta, ya que no se observó en compuestos complejos.