El átomo y sus partículas (electrones, protones y neutrones)
Introducción
¡Hola, qué gusto poder saludarte!
Es un placer encontrarte nuevamente en este curso de Química. ¡Gracias por continuar! Esto habla de tu gran compromiso e interés. Por lo tanto, te doy la bienvenida a la clase siete en la cual aprenderás mucho acerca del tema El átomo y sus partículas (electrones, protones y neutrones).
Hemos aprendido muchas cosas desde que iniciamos y te felicito. Recuerda que al inicio, el objetivo era darnos cuenta de la importancia de la química en nuestras vidas y todo lo que ha hecho por nosotros. Aprendimos que la química surgió como una ciencia después de la alquimia y ahora es la encargada de estudiar la materia que nos rodea, cómo interactúa con la energía y cómo es que puede cambiar. El entendimiento de todo esto se dio gracias a la comprensión de cómo está constituida la materia. Hasta ahora buena parte de los análisis a las propiedades de la materia que hemos hecho han sido a un nivel macroscópico por lo que, en esta nueva clase, una muy especial, analizaremos la materia a nivel de los átomos.
La idea del átomo no es nueva como uno pensaría, fue en el siglo V a. C. cuando Demócrito y su maestro Leucipo, proponen la idea de que la materia estaba formada de pequeñas partículas esféricas a las que se les llamó átomo (del griego a: sin, tomos: corte o división). los cuales decían que eran indivisibles y era la cantidad mínima de materia. Esta idea no fue muy popular entre los pensadores griegos ya que la doctrina de los cuatro elementos (aire, tierra, agua y fuego) de Empédocles y reforzada por Aristóteles, predominaba.
Resulta interesante que esta idea atomista no desapareciera durante más de 2000 años cuando en 1808 John Dalton retomó esta idea con cuatro importantes postulados.
De acuerdo a lo anterior, te invito a proseguir. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Dalton tomando la idea del átomo de Demócrito y algunas otras teorías postuladas posteriores a él publicó los siguientes postulados que dieron paso a la teoría atómica moderna:
- Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.
- Todos los átomos del mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas, por lo que los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de los demás elementos.
- Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento en proporciones fijas y definidas cuya relación numérica siempre son números enteros o fracciones sencillas.
- En una reacción química existe la separación, combinación o reordenamiento de los átomos no existe la creación o destrucción de estos.
Analizando por ejemplo la molécula del agua, podemos ver que se compone de átomos de hidrógeno y oxígeno, los cuales son diferentes entre ellos. La molécula del agua siempre tendrá 1 átomo de oxígeno por cada 2 átomos de hidrógeno si vemos esta relación como fracción sería ½.
Con el paso de los años se fueron descubriendo más elementos y corroborando estos postulados de Dalton, pero algunas propiedades de la materia no podían ser explicadas con un modelo atómico sencillo como ese.
Para 1879, Thomas Alba Edison ya había utilizado la electricidad en bombillas incandescentes, por lo que se había observado que algunos materiales conducen la electricidad así que debía haber una explicación a nivel atómico de este fenómeno. Esto llevó a Crookes a la invención del tubo de rayos catódicos con el que gracias a él se descubrió el electrón en 1897, gracias a J. J. Thomson. Él descubrió que la naturaleza de los rayos eran partículas con carga cuya relación entre masa y carga era de -1.76 x 108 C/g. Este descubrimiento llevó a Thomson a postular un modelo atómico que incluía los electrones, propuso que los electrones eran partículas pequeñas con carga negativa incrustadas en los átomos esféricos que tenían carga positiva, semejante a las chispas de chocolate en un muffin.
Nota. Los electrones con carga negativa se encuentran incrustados en la superficie del átomo positivo.
En 1912 Millikan descubrió que la carga del electrón es de -1.6022 x10-19 C, con el experimento de la gota de aceite.
El descubrimiento del protón fue en 1910 por Ernest Rutherford mediante el experimento de la lámina de oro. En este experimento se irradiaba una lámina de oro muy delgada, de apenas unos cientos de átomos de grosor con partículas Alfa provenientes de un material radioactivo. Estas partículas Alfa son resultado de la descomposición nuclear de algunos elementos, los núcleos inestables se descomponen emitiendo partículas de carga positiva similares a los núcleos de helio.
Nota. Los rayos alfa atravesaban la lámina de oro directamente o eran desviados.
Rutherford observó que los rayos Alfa podían atravesar la lámina, algunos eran desviados en ángulo y unos pocos en ángulos agudos como si rebotaran. Rutherford explicó estos resultados proponiendo que los átomos eran constituidos prácticamente por espacio vacío dejando un pequeño núcleo en el centro con carga positiva donde se encontraban los protones y los electrones fuera de este núcleo, dejando detrás el modelo de Thomson. Posteriormente descubrió que la masa del protón era de 1.67262 × 10-24 g y con carga opuesta a la del electrón.
Nota. El átomo consta de un núcleo central y los electrones se encuentran fuera de él. La mayoría es espacio vacío.
Posteriormente, con el desarrollo de la teoría cuántica se establecieron modelos en los cuales se explicaba cómo se movían los electrones alrededor del núcleo. Uno de los modelos más importantes fue el de Bohr, en este modelo se visualizaba el átomo con el núcleo central y los electrones girando alrededor de él en órbitas circulares, como un sistema planetario, la teoría de Bohr además explicaba que los electrones se encontraban en órbitas definidas por un nivel de energía cuantizado, y los electrones únicamente podrían estar en dichos niveles específicos, gracias a esto se podría explicar por qué los electrones con carga opuesta del núcleo no eran atraídos hacia él. Los electrones al adquirir una cantidad de energía específica pueden cambiar a un nivel de energía mayor excitándose, una vez que el electrón pierde la energía regresa a su nivel basal emitiendo una partícula denominada fotón con la cantidad exacta de energía que perdió.
Nota. Los electrones se encuentran en órbitas circulares definidas y cuantizadas.
Poco después en 1926, Erwin Schrödinger y Heisenberg proponen un modelo mecánico ondulatorio donde proponen que el electrón se comporta como partícula y como onda y propone una ecuación que describe su comportamiento. En este modelo se propone que los electrones no se encuentran girando en órbitas circulares alrededor del núcleo, sino que se mueven en zonas de alta probabilidad dónde se puede encontrar a los que se les denomina orbitales electrónicos los cuales poseen niveles de energía cuantizados permitidos. Semejante al modelo de Bohr, los electrones al adquirir energía pueden cambiar de nivel y al perder energía regresan a su nivel basal. Actualmente este es el modelo más aceptado.
Fue hasta 1932 cuando James Chadwick en un experimento bombardeando una lámina de berilio con partículas Alfa notó que el material empezaba a emitir radiación similar a los rayos gamma los cuales no tenían carga. Descubrió que la naturaleza de estos rayos eran partículas sin carga positiva o negativa, es decir, neutras y con una masa ligeramente mayor que la del protón a las que llamó neutrones, los cuales estaban en el núcleo atómico junto con los protones. Más adelante se descubrió que estos neutrones son una partícula fundamental que le da estabilidad a los núcleos atómicos.
Gracias al desarrollo de esta teoría ahora entendemos que todos los átomos del mismo elemento poseen siempre el mismo número de protones y es una característica que distingue a los átomos de cada elemento. Por ejemplo, todos los átomos de hidrógeno tienen un solo protón, todos los átomos de carbono tienen 6 protones, y así para todos los elementos. Esto es muy importante ya que determina las propiedades químicas de cada elemento. Esto es debido a que dependiendo del número de protones un átomo va a tener una cantidad de electrones distribuidos de una forma particular en los orbitales y éstos son los que interaccionan en los fenómenos químicos al combinarse con otros átomos.
Número atómico
A la cantidad de protones que hay en el núcleo de un átomo de un elemento se le conoce como número atómico y como ya lo dijimos es único para cada elemento, a este lo identificamos con la letra Z.
Número de masa
Como sabemos en el núcleo existen los protones y los neutrones, la suma de estos dos nos da como resultado el número de masa.
- A = N + Z (N número de neutrones)
Por ejemplo, un átomo de carbono qué tiene 6 protones y 6 neutrones tendrá un número de masa de 12 (A=6+6=12)
Este número de masa sirve para identificar átomos de elementos que puedan tener un número diferente de neutrones, en los cuales, por tanto, tendrían un número de masa diferente. A estos átomos del mismo elemento, pero con número de masa diferente se les conoce como isótopos. Por ejemplo, un átomo de carbono qué tiene 6 protones y 8 neutrones tendría un número de masa de 14, es decir, sigue siendo un átomo de carbono puesto que tiene 6 protones, pero al tener más neutrones este es un isótopo del carbono.
Ejemplo 1:
Ejemplo 2:
En el siguiente enlace podrás acceder al simulador en el cual te permitirá construir átomos para que tengas una Figura clara de sus partículas y su ubicación. Simulador construye un átomo.
Te recomiendo utilizar todas las opciones que el simulador te permite y obtener la mayor cantidad de información posible de él.
En el siguiente tema abordaremos a profundidad lo que son los isótopos y aprenderemos algunas de sus aplicaciones.
Conclusión
En conclusión, el desarrollo de la teoría atómica es un hito en la ciencia y tecnología modernas. Aquí mencionamos sólo algunos personajes clave, pero hubo muchos científicos que hicieron aportaciones y estuvieron involucrados.
Hemos aprendido que los átomos se componen de 3 partículas principales: electrón, protón y neutrón. A lo largo de la historia se propusieron diferentes modelos de cómo se encontraban distribuidas estas partículas, tratando de explicar fenómenos y propiedades que se observaban en la materia. Cada aportación marcó un avance a lo que conocemos hoy como el modelo mecánico cuántico, el cual es el más aceptado.
El entendimiento de la estructura atómica nos permitió comprender las diferentes propiedades de los elementos químicos los cuales están en función de la cantidad de protones que hay en el núcleo de sus átomos, que al mismo tiempo indica la cantidad de electrones y cómo están distribuidos en los orbitales, ya que estos últimos son los que interaccionan químicamente con otros átomos qué son las propiedades que logramos observar en ellos.
Antes de finalizar creo que es importante recalcar que la estructura de los átomos parece ser sencilla y generalmente tenemos una figura de un átomo con el núcleo en el centro y los electrones en órbitas circulares alrededor de él, pero de acuerdo al modelo mecánico cuántico esta es una idea errónea, los electrones se encuentran en orbitales que son nubes electrónicas, zonas donde es más probable encontrar el electrón, por lo que es importante que tengas la figura correcta de lo que son los átomos y sus orbitales electrónicos.
También me gustaría mencionarte que estas 3 partículas subatómicas son las más fundamentales y las más importantes de conocer y entender en este nivel, pero existen otras varias partículas que se teorizaron y posteriormente se lograron identificar de forma experimental, gracias a esto se explican muchos otros fenómenos de la materia.
Con esto llegamos al final de la clase ¡Te felicito por tu gran esfuerzo y dedicación! No olvides realizar la tarea y mandarla como corresponde. Sigue perseverando en tu educación, te espero en tu próxima sesión, hasta entonces.
Fuentes de información
- Timberlake, K. C. (2013). Química general, orgánica y biológica. Estructuras de la vida Educación media superior. (4ª ed.). Pearson Educación. ISBN: 978-607-32-2034-7
- Burns, R. A. FUNDAMENTOS DE QUÍMICA. [VitalSource Bookshelf]. Recuperado de https://bookshelf.vitalsource.com/#/books/9786073206839/