QUIMICA. COMPOSICION DE LA MATERIA. MODELOS ATOMICOS

Si se especula acerca de la materia, como está constituida y el por qué de sus propiedades podemos proponer dos alternativas extremas: la materia es continua ó discontinua.

 

Ahora bien, que significan estas dos proposiciones. Si suponemos que la materia es continua, cuando tomamos una barra de cobre y la fraccionamos en porciones cada vez menores, éstas tendrán siempre las mismas propiedades independientemente del tamaño que logremos alcanzar, por pequeño que éste sea. Por lo tanto las propiedades no dependerán del grado de subdivisión.
Si suponemos que la materia es discontinua, estará formada por pequeñas unidades que serán los bloques constituyentes de la misma. Si continuamos el proceso de subdivisión en trozos cada vez menores, llegará un momento en que alcanzaremos el tamaño de la unidad fundamental. Si persistimos en seguir dividiendo, las propiedades de la materia sufrirán un cambio drástico.
El concepto de que la materia está constituida por diminutas partículas discretas es muy antiguo, tuvo su origen posiblemente en los filósofos griegos Demócrito y Leucipo. Ellos ya sostenían que la materia estaba constituida por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos (año 400 AC).  En efecto la palabra átomo viene del griego y significa sin división.
No puede hablarse de una teoría atómica hasta el año 1805 en que John Dalton, apoyado en las leyes gravimétricas y conceptos de elemento, dado por Boyle, enuncia la teoría atómica, que en la actualidad se prefiere llamar Teoría Atómica Molecular Clásica.
La terminología e incluso algunos conceptos de John Dalton han caducado, como consecuencia del conocimiento más profundo de la estructura de la materia, pero la esencia de su teoría ha persistido.
Desde Dalton hasta la Teoría cuántica, que explica el modelo atómico actual, varios científicos postularon teorías acerca de la composición de la materia Seguidamente se expone un pequeño resumen de las teorías atómicas.

 

 

Teoría Atómica de Dalton
La teoría atómica de John Dalton dió una explicación de las relaciones ponderales de las sustancias que intervienen en las reacciones químicas y explicó los aspectos gravimétricos de las mismas, pero dejó pendiente algunos problemas, ya que asignó extrema importancia a la masa de los átomos.
Esta teoría postula:
1- La materia es discontinua, está formada por partículas muy pequeñas denominadas átomos que no pueden dividirse por ningún procedimiento físico conocido.
2- Los átomos de un mismo elemento son similares entre sí e iguales en peso.
3- Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes: peso, afinidad, etc.
4- Los compuestos están formados por la unión de átomos de diferentes elementos en proporciones numéricas sencillas.
Hoy se acepta como realidad la existencia de los átomos.
La teoría de John Dalton no es la que perdura en la química moderna, pues consideraba el átomo indivisible. La idea actual es que mientras los átomos son perdurables en los cambios químicos, pueden ser resueltos (divididos) en sus partes componentes.
Tampoco perdura el segundo postulado, por cuanto el descubrimiento de los isótopos lo modifica.
Toda la materia ordinaria se compone de átomos, siendo el átomo la unidad que conserva su estructura cuando tienen lugar las reacciones químicas y por consiguiente lo que interesa al químico.
Los átomos son sumamente pequeños, del orden de 2 a 5 Å de diámetro. Como unidades estructurales de todos los sólidos, líquidos y gases, son los responsables del nuevo concepto de elemento, de las masas atómicas utilizadas y de las uniones químicas.
Aunque con errores como el no tener en cuenta la existencia de isótopos o la falta de explicación de la estructura interna del propio átomo, este modelo se puede considerar como uno de los pilares de la química.

teoría de Daltonátomos de Dalton


Modelo atómico de Thomson
Thomson identifico, a través de la experiencia del tubo de rayos catódicos, la existencia de partículas negativas en la materia, a las que llamó electrones. Además estableció que los electrones tienen naturaleza corpuscular, es decir son partículas materiales. El descubrimiento de Thomson dejaba algunas dudas. Como en su estado fundamental los átomos no tienen carga eléctrica, es decir que son neutros, resultaba que en el supuesto caso de que contuvieran electrones cargados negativamente deberían contener, también cargas positivas que los contrarrestasen. Thomson sugirió entonces, su modelo atómico, según el cual el átomo era una esfera sólida de materia cargada positivamente, con los electrones incrustados en un número adecuado para que la carga total fuese nula. Ciertamente no tuvo en cuenta la existencia de protones ni de neutrones que fueron descubiertos posteriormente.

modelo atómico de Thomson



Modelo atómico de Rutherford
Ernest Rutherford, (1871-1937), un brillante estudioso de la radiactividad bombardeó átomos con radiaciones para intentar desmenuzarlos y saber que había en su interior. Rutherford conocía de la naturaleza compleja de la radiación y había identificado tres componentes: las partículas ά, partículas β y la radiación γ. El cañón para bombardear los átomos de un lámina de oro eran los elementos radiactivos uranio, torio y radón y las municiones eran las partículas ά emitidas por ellos. Si la carga positiva y la masa de los átomos se encuentran distribuídas uniformemente en todo el volumen atómico, las partículas ά que tienen carga positiva deberían desviarse ligeramente al atravesar la lámina metálica. Sin embargo, al hacer la experiencia Rutherfor observó que:
1-la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin sufrir ninguna desviación
2-algunas partículas eran desviadas, aunque la magnitud de estas desviaciones no resultaba la misma para todas ellas.
3-Una pequeña fracción de las partículas era fuertemente repelida e invertía su trayectoria con un ángulo de 180º
Estas observaciones llevaron a Rutherford a formular una hipótesis, hoy plenamente confirmada, que la materia no se distribuye de manera uniforme en el interior de los átomos, sino que, por el contrario la mayor parte de la masa y toda la carga positiva se concentran en una zona central, muy pesada, llamada núcleo.
Los resultados de la experiencia se explican así:
1-la mayoría de las partículas alfa no se desvían, porque no se encuentran con el núcleo. Los átomos estarían formados en su mayor parte por espacios vacíos.
2-La desviación de las partículas alfa se debe a que éstas pasan cerca de una concentración de carga positiva
3-Cuando alguna partícula alfa rebota, significa que choca frontalmente con un blanco muy pequeño con fuerte carga positiva
Con estas evidencias, Rutherford, propuso en 1911, el modelo nuclear del átomo, por el cual todos los átomos están formados por núcleo y corteza. El núcleo, según él era muy pequeño respecto del resto, y los electrones giraban en órbitas, tal como los planetas giran alrededor del sol.
Además de postular su modelo atómico, Rutherford hizo un importante descubrimiento que fue el de determinar el número atómico Z correspondiente a las cargas positivas del núcleo de un átomo. Estos hallazgos, sustentados por varias experiencias, entre ellas la de los rayos anódicos o canales , permitieron a Rutherford afirmar que todos los núcleos atómicos contenían partículas fundamentales positivas, a las que llamó protones. Los protones tenían el mismo valor de carga que los electrones, pero de signo contrario es decir positivos, y masa 1836 veces mayor que la del electrón.
La confirmación del protón reafirmó el modelo de Rutherford. Sin embargo, algo fallaba. No fue sino hasta 1932, que el físico Chadwick descubrió la tercera partícula fundamental, eléctricamente neutra a la que llamó neutrón.
Los descubrimientos del protón y del neutrón permitieron definir:

  • El número atómico Z: número de protones presentes en el núcleo de cada átomo de un elemento
  • El número másico A: suma del número de protones y de neutrones de un átomo un elemento

modelo atómico de Rutherford


Modelo atómico de Bohr
El modelo de Rutherford era inconsistente en algunos aspectos. Si consideramos el átomo de Hidrógeno, el único electrón que posee gira alrededor del protón, mantenido por la atracción eléctrica. Según la física clásica, el electrón es una partícula acelerada que emite energía radiante en forma permanente; al perder energía el electrón caería hacia el núcleo estrellándose en él. Si esto ocurriera, todos los electrones se hubieran estrellado con sus núcleos y se hubieran desintegrado todos los átomos del universo.
En 1900 el físico alemán Max Planck había descubierto que cualquier partícula, electrón, átomo o molécula, que oscila, emite energía en forma de radiación electromagnética, y la cantidad de energía que emite es múltiplo de una cantidad discreta llamada cuanto. Por lo tanto la energía emitida por el electrón no podía ser continua.
Estos descubrimientos llevaron a Bohr, físico danés discípulo de Rutherford a proponer un  nuevo modelo atómico que resolvía las inestabilidades del modelo anterior.
El modelo de Bohr mantiene la estructura planetaria del modelo de Rutherford, pero se aplican los principios cuánticos sobre la emisión de energía.
Según el modelo de Bohr, los electrones giran alrededor del núcleo en un número limitado de órbitas estables, es decir que el electrón no puede moverse a cualquier distancia del núcleo, sino a distancias determinadas. Cuando un electrón se encuentra en una órbita estable no emite energía, los electrones sólo pueden ganar o perder energía cuando “saltan” de  una órbita a otra.
Según este modelo, el átomo puede estar en estado fundamental o en estado excitado. Por ejemplo para el átomo de H2, su único electrón se encuentra en el nivel 1 de energía en estado fundamental. Pero puede absorber energía y saltar a niveles superiores, estado excitado, y al volver al estado fundamental emite una radiación característica.

modelo atómico de Bohr