Estructura Atomica De La Materia

1

ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA.

1. INTRODUCCIÓN.

Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. En la antigua Grecia dos concepciones filosóficas compitieron por dar una interpretación racional a esta cuestión:

a) Leucipo y su discípulo Demócrito consideraban que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas (no visibles a simple vista) que no podían ser divididas en otras más pequeñas. A estas partículas se las llamó átomos, que en griego significa "indivisible".

b) Aristóteles era partidario de la teoría de los cuatro elementos, según la cual toda la materia estaría formada por la combinación de cuatro elementos básicos: aire, agua, tierra y fuego.

Las ideas de Demócrito sobre la materia fueron rechazadas por los filósofos de su época, mientras que la teoría de los cuatro elementos se acabó imponiendo durante muchos siglos. Habrían de transcurrir dos milenios para que la concepción atómica fuera tomada de nuevo en consideración.

Ya en el tema anterior se estudió la teoría cinético-corpuscular, surgida en el siglo XVIII, que supone que todos los materiales están hechos de partículas inmensamente pequeñas, dotadas de un cierto estado de movimiento (caótico en los gases, y más ordenado y restringido en sólidos y líquidos). Si bien es una teoría nacida para explicar el comportamiento de los gases y los estados de la materia (volumen, temperatura y presión de los gases, cambios de estado, etc.), no detalla la estructura interna de la materia, ni ciertos fenómenos derivados de tal estructura interna (composición interna de las partículas, diferenciación de partículas de distintas sustancias y de sus propiedades, naturaleza de las fuerzas de cohesión entre las partículas, combinación de partículas (moléculas y cristales), fenómenos eléctricos de las partículas, etc.).

Las limitaciones de la teoría cinético-corpuscular hicieron necesaria una ampliación de la misma, llevando a los científicos a la elaboración una teoría paralela que la complementase. La labor de muchos científicos, como Antoine Lavoisier, John Dalton y Dimitri Mendeleiev condujo a la elaboración de la teoría atómico-molecular de la materia, base de la moderna ciencia química.

(a) Teoría cinético – molecular. (b) Teoría atómico – molecular.

2. TEORÍA ATÓMICA. MODELOS ATÓMICOS.

2.1.- TEORÍA ATÓMICA DE DALTON.

Gracias a diversos estudios experimentales, a principios del siglo XIX ya se tenía conocimiento de distintos conceptos químicos, como existencia de elementos y compuestos químicos (Boyle y Lavoisier), el conocimiento de algunos elementos químicos, las leyes básicas de las reacciones químicas (ley de la conservación de la masa, leyes de las proporciones constantes, y ley de las proporciones múltiples), etc.

2

Basándose en todo este conjunto de conocimientos, Dalton desarrolla en 1808 su modelo atómico, en base a las siguientes hipótesis:

a) La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos.

b) Hay distintas clases de átomos, con diferentes masas y propiedades. Los átomos de un elemento son todos iguales y presentan las mismas propiedades. Por el contrario, los átomos de distintos elementos son distintos y presentan distintas propiedades.

c) Los átomos son inmutables (no se pueden transformar de un tipo en otro).

d) Los compuestos químicos están formados por la unión de un número entero de átomos de distintos elementos, siempre en la misma proporción.

e) En las reacciones químicas de sustancias, los átomos se separan, se combinan y se redistribuyen entre las sustancias que reaccionan. Sin embargo, ningún átomo se crea, ni se destruye, ni se convierte en un átomo de otro elemento.

Como se sabe hoy, la teoría atómica de Dalton era incompleta. Posteriormente se fueron descubriendo un conjunto de hechos científicos que pondrían de manifiesto importantes lagunas y errores en casi todas las hipótesis de la teoría atómica, que hubieron de corregirse (naturaleza eléctrica de la materia, indivisibilidad y estructura interna del átomo, los mecanismos de formación de moléculas, existencia de isótopos, radioactividad, etc.). No obstante, estas modificaciones no significaron una ruptura radical con las propuestas de Dalton, sino una profundización y enriquecimiento de una teoría incompleta. La teoría atómica debe considerarse como uno de los pilares más importantes de la química moderna

2.2.- MODELO ATÓMICO DE THOMSON.

Algunos fenómenos de electrización de los cuerpos pusieron de manifiesto la naturaleza eléctrica de la materia. Estos fenómenos eléctricos son debidos a una propiedad de la materia llamada carga eléctrica.

(a), (b) y (c): Dalton postuló que la materia está formada por átomos. No intentó describir la estructura o composición de los átomos, ni tenía idea de cómo era un átomo. Sin embargo, se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrógeno y el oxígeno, lo que sólo se puede explicar con la idea de que los átomos de hidrógeno son diferentes de los átomos de oxígeno.

(d): esta hipótesis sugiere que para formar un determinado compuesto no solamente se necesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un número específico de dichos átomos.

Así, si se analizan distintas muestras de dióxido de carbono gaseoso, en todas ellas se encontrará la misma proporción de masa de carbono y oxígeno (y por tanto, la misma cantidad de átomos de carbono y oxígeno)

(e): En esta reacción una molécula de metano (CH4) reacciona con 2 moléculas de oxígeno (O2). Fruto de la reacción se produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Notar que en la reacción los átomos sólo se recombinan, no se crean nuevos átomos, ni desaparecen, ni se transforman.

3

Existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Dos cuerpos que hayan adquirido una carga del mismo tipo se repelen, mientras que si poseen carga de distinto tipo se atraen.

En general, la materia es eléctricamente neutra, es decir, tiene la misma cantidad de cada tipo de carga. Sin embargo, los cuerpos pueden electrizarse, cargándose positivamente o negativamente si ganan o pierden cargas de alguno de los dos tipos.

Descubrimiento del electrón.

En 1897, el científico inglés Thomson realizaba experimentos con rayos catódicos (rayos de luz que aparecen cuando un gas encerrado en un tubo de vidrio se somete a elevadas tensiones). Thomson descubrió que tales rayos eran desviados por la acción de campos eléctricos o magnéticos, lo cual significaba que presentaban carga. Al estudiar las partículas que formaban estos rayos, Thomson observó que tales partículas siempre eran las mismas (presentaban la misma masa y cantidad de carga negativa), cualquiera que fuese el gas del interior del tubo. También observó que dicha masa era mucho más pequeña que la masa de los átomos de los gases empleados. De esta forma, se demostró que los rayos estaban formados por una corriente de partículas cargadas negativamente, de masa mucho más pequeña que la de los átomos, que llamó electrones.

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/catodicos.htm

El descubrimiento del electrón hizo que Thomson se plantease las siguientes cuestiones: Los electrones son partículas más pequeñas que el átomo. Por tanto, los átomos no son indivisibles, ya que los electrones son partículas que forman parte de los átomos.

4

En los átomos hay partículas con carga negativa llamadas electrones. La materia debe ser eléctricamente neutra, lo cual implica que en el átomo deban existir cargas positivas que compensen la carga de los electrones. Si las cargas negativas de los átomos pertenecen a los electrones, partículas de masa mucho más pequeña, la mayor parte de la masa del átomo se debe a las partículas con carga positiva.

Todo ello llevó a Thomson a enunciar su propio modelo atómico, que tomaba en cuenta la existencia de del electrón como partícula subatómica, modificando la teoría atómica de Dalton. El modelo atómico de Thomson representaba al átomo como una esfera formada por una masa fluida de baja densidad con carga positiva, en la que se hallaban incrustados los electrones (modelo “pudding de pasas” o “sandia”). Casi la totalidad de la masa del átomo se concentraba en dicha masa fluida.

El modelo atómico de Thomson también explicaba la electrización positiva o negativa de la materia, mediante la pérdida o ganancia de electrones. Así, por ejemplo, cuando un átomo perdía un electrón de su superficie, éste quedaba cargado eléctricamente con una carga positiva. Análogamente, si un átomo ganaba electrones, entonces quedaba cargado negativamente.

A los átomos con carga positiva se les denominó cationes (porque son atraídos por el cátodo o polo negativo) y a los átomos con carga negativa aniones (porque son atraídos por el ánodo o polo positivo).

2.3.- MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD.

Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la dirección de Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Detrás de la lámina se colocó una placa fluorescente para estudiar las trayectorias de las partículas.

Debido a la baja densidad del fluido que constituía el átomo, se esperaba que todas las partículas atravesasen

...