Evolución del modelo atómico
El
modelo atómico es una representación e interpretación de la estructura y
composición del átomo. Utilizando el modelo atómico podemos
estudiar el comportamiento y las propiedades de los átomos, y explicar la
formación de los compuestos químicos. La materia está
formada por pequeñas unidades discretas llamadas átomos
Propiedades del átomo
Las
propiedades de los átomos se pueden
utilizar para identificarlos y determinar a qué elemento químico pertenecen.
Algunas de las propiedades que caracterizan a los átomos son:
·
Tamaño. El tamaño de
los átomos está determinado aproximadamente por el tamaño de su nube de
electrones. El radio atómico es una medida de las dimensiones de un átomo, y se
puede medir utilizando la distancia entre dos núcleos atómicos en una molécula.
·
Masa. La masa del
átomo está representada mayormente por la suma de las masas de sus nucleones.
También, las sumas de las masas de sus electrones hacen un aporte, pero en
menor medida.
·
Número
atómico.
Es la cantidad de protones que tiene un átomo. Los átomos que pertenecen a un
mismo elemento químico tienen el mismo número atómico.
·
Número másico. Es la suma
de la cantidad de protones más la cantidad de neutrones.
1. Modelo atómico de Demócrito (460
a. C.)
Plantea
que los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos, indestructibles, e
invisibles. Además, son los bloques de construcción del universo y se diferencian
en forma y tamaño, pero no tienen estructura interna. La teoría atómica de
Demócrito establece que el mundo está compuesto por partículas llamadas átomos,
cuyo nombre significa indivisible.
Según
esta teoría, los átomos son partículas extremadamente pequeñas, homogéneas,
incompresibles, indivisibles y de existencia eterna. Además, propone que estas
partículas solo difieren en su forma y tamaño.
Por
otra parte, Demócrito establece que las propiedades de la materia dependen de
la forma en que agrupan los átomos.
Algunos postulados que establece el
modelo atómico de Demócrito son:
·
El
universo está compuesto por átomos y vacío.
·
Los
átomos son eternos, indivisibles y homogéneos.
·
Los
átomos se diferencian por forma y tamaño.
·
La
materia está formada por agrupación de átomos.
·
Los
átomos se mueven en el vacío.
· Los átomos no tienen cualidades sensoriales.
2. Modelo atómico de Dalton
(1803-1808)
En
la teoría atómica de Dalton, este modelo
plantea que el átomo es una unidad indivisible, con alguna forma esférica. Además,
los átomos de un mismo elemento son iguales, tienen la misma masa y las mismas
propiedades. Por otra parte, establece que los átomos no se pueden dividir y
cuando se combinan átomos para formar un compuesto químico, estos se combinan
en proporciones simples.
“Postulados Atómicos”, que plantean
que:
·
Todo está
hecho de átomos, que son indivisibles e indestructibles.
·
Los átomos de
un mismo elemento químico son iguales entre sí, y tienen la misma masa e
iguales propiedades.
·
El peso
atómico es el peso de cada elemento respecto al peso del hidrógeno.
·
Los átomos no
se dividen, ni cuando participan en reacciones químicas.
·
Cuando se
combinan átomos de dos o más elementos químicos, se forman compuestos químicos.
·
Los átomos se
combinan en relaciones simples para formar compuestos químicos.
·
Los átomos de
elementos químicos diferentes se pueden combinar de formas distintas para
formar distintos compuestos químicos.
3. Modelo atómico de Thomson (1898)
Plantea
que los átomos están formados por una región esférica positiva con los electrones incrustados en ella. Esta
disposición de los electrones es similar a la distribución de las pasas en un
budín, por eso se le conoce como el modelo del budín con pasas.
El
modelo atómico de Thomson sirvió de guía para construir los modelos atómicos
futuros, como el modelo atómico de Rutherford y
el modelo atómico de Bohr. Algunas de las
características de este modelo son:
- Estructura
interna del átomo. Estableció una estructura interna del
átomo.
- Átomo
neutro.
Propuso que el átomo tiene una parte positiva y una parte negativa y, así,
las cargas se cancelan y el átomo es neutro.
- Modelo
del budín de pasas. Estableció que el átomo está formado por
una esfera positiva y los electrones están distribuidos en esa esfera, de
una forma similar a cómo están distribuidas las pasas en un budín.
Los principales aportes de este modelo fueron:
·
La existencia de partículas subatómicas. Estableció que el átomo está formado por partículas más pequeñas que
él, y que estas partículas tienen carga positiva y negativa, que se compensan
para formar un átomo neutro.
·
Rayos catódicos. Podía explicar la
existencia de los rayos catódicos.
·
Una estructura interna del átomo.
Aportó una estructura interna del átomo basada en partículas subatómicas.
4. Modelo atómico de Rutherford (1911)
Plantea
que el átomo tiene un núcleo donde se
concentra la carga positiva, y alrededor de él orbitan los electrones. Este
modelo propone la existencia de un núcleo atómico.
En
su modelo atómico, Rutherford propuso que los átomos tienen un núcleo central donde se encuentra el
mayor porcentaje de su masa. Además,
según esta teoría, este núcleo tiene carga eléctrica positiva y es orbitado por
partículas de carga opuesta y menor tamaño (electrones).
Según
las consideraciones de Rutherford, el átomo funciona de manera similar a un
Sistema Solar, donde los electrones orbitan alrededor de un núcleo atómico más
pesado, como hacen los planetas alrededor del Sol.
Rutherford
basó su modelo atómico en ciertas suposiciones que constituyen los siguientes
postulados:
- Núcleo
central.
La mayor parte de la masa del átomo se
concentra en el núcleo, que es de mayor tamaño y peso que el resto de las
partículas subatómicas.
- Carga del
núcleo. El núcleo atómico tiene carga positiva.
- Trayectoria de
los electrones. Alrededor del núcleo atómico giran los electrones, que son
partículas con carga eléctrica negativa.
- Carga del
átomo. La suma de las cargas eléctricas positivas y negativas de un átomo
debería dar cero como resultado. Es decir, el átomo debe tener igual cantidad
de cargas eléctricas positivas y negativas para que sea eléctricamente neutro.
- Espacio entre las partículas subatómicas. El átomo está compuesto mayormente por espacio vacío.
5. Modelo atómico de Bohr (1913)
Bohr
fue el primero en proponer que los
electrones están ubicados en órbitas circulares específicas y permitidas
alrededor del núcleo. Esto explicó por qué los átomos no colapsan —según
algunos modelos atómicos anteriores, como el de Rutherford, los electrones giran alrededor del núcleo, pero pueden girar en
cualquier órbita, lo que provocaría que los electrones colapsen contra el
núcleo atómico cuando liberen toda su energía durante el giro—.
En
el modelo de Bohr esto no sucede, pues los electrones no pueden ocupar
órbitas distintas de las permitidas, es decir, el electrón no puede
acercarse al núcleo más allá de la órbita permitida más cercana.
En
el modelo atómico de Bohr se intenta explicar la estabilidad de la materia y
las líneas que aparecen en los espectros de absorción y emisión de los gases.
Para lograr esto, Bohr estableció un conjunto de aproximaciones que describen
su modelo:
- Los electrones
giran alrededor del núcleo atómico en órbitas circulares específicas, es decir,
no pueden girar en cualquier órbita, solo pueden girar en las permitidas.
- Los electrones
que rodean el núcleo de un átomo pueden ser internos o externos.
- Los electrones
están ubicados en niveles definidos de energía (o sea, en distintas órbitas) y
a distancias fijas.
- La órbita más
cercana al núcleo tiene la menor energía y la más lejana tiene la mayor
energía.
- En cada órbita
puede haber un número determinado de electrones, y la forma en que se
distribuyen los electrones se denomina configuración electrónica.
- Los electrones
pueden saltar de una órbita a otra, pero estos saltos solo pueden ocurrir entre
órbitas permitidas.
- Si un electrón
salta de una órbita de mayor energía a una de menor energía, este electrón
libera energía, que se desprende en forma de fotón o luz. Por otra parte, si
salta de una órbita de menor energía a una de mayor energía, este electrón
absorbe energía.
- Plantea que los electrones giran alrededor del núcleo atómico siguiendo trayectorias específicas sin perder energía. Además, los electrones solo emiten o absorben energía cuando saltan entre órbitas permitidas.
6.
Modelo atómico de Lewis
El
modelo atómico de Lewis es uno de los modelos atómicos que intenta
explicar la estructura del átomo. Este modelo
también se conoce como “modelo del átomo cúbico”.
Según
el modelo atómico de Lewis, los electrones de un átomo están
ubicados en los ocho vértices de un cubo, es decir, el átomo está
representado por un cubo con los electrones situados en sus vértices. Las
ideas propuestas en este modelo están basadas en la Regla de Abegg, que
establece que la diferencia entre el máximo y el mínimo número de oxidación de
un elemento químico comúnmente es ocho.
Las
ideas planteadas en este modelo(El átomo y la molécula), y además, a través de
ellas se intenta explicar la valencia,
que es el número de electrones que cede o acepta un átomo para completar con
ocho electrones su último nivel de energía.
Aunque
fue desplazado por otros modelos atómicos, como el modelo atómico de Schrödinger, el modelo
atómico de Lewis tuvo gran importancia científica para entender el enlace
químico. Lewis además planteó la Regla
del Octeto, la formación de pares de electrones en el enlace
covalente y la Estructura de Lewis, que es una representación
gráfica de átomos y moléculas, donde los electrones son
representados por puntos y los pares de electrones que forman un enlace químico
son representados por guiones.
Características
del modelo atómico de Lewis
- Representa
a los electrones de un átomo en los ocho vértices de un cubo. Según
esta representación se encontró una forma de describir el enlace
covalente.
- Se basa
en la Regla del Octeto. Esta regla plantea que los iones de los
elementos químicos de la Tabla
Periódica tienden a completar sus últimos niveles de
energía con 8 electrones y, de esta forma, adquieren una configuración muy
estable. Así, los átomos se enlazan entre sí para completar sus últimos
niveles de energía con 8 electrones.
- Describe
una manera de explicar la formación de los distintos enlaces químicos. Explica
la formación de los distintos enlaces químicos, como el enlace
iónico, covalente simple, doble y triple.
- Describe
la organización de los electrones cuando forman un enlace químico.
Introduce la idea de que los electrones se ubican formando pares cuando
forman los enlaces químicos que unen los átomos en la formación de
compuestos moleculares.
- Justifica
la existencia de distintas formas moleculares. La
forma molecular depende de la disposición de los pares de electrones.
Enlaces
químicos según el modelo atómico de Lewis
El
modelo atómico de Lewis tuvo un gran impacto en la descripción del enlace
químico. En el modelo se propone una explicación para la formación del enlace
covalente y el enlace iónico.
Según
Lewis, algunos tipos de enlaces se forman de la siguiente manera:
- Enlace
iónico.
Se forma cuando se transfiere un electrón de un cubo a otro y no se
comparte ninguna arista del cubo.
- Enlace
covalente simple.
Se forma cuando dos cubos comparten un borde, lo que implica que se
comparten dos electrones.
- Enlace
covalente doble.
Se forma cuando dos cubos comparten una cara, lo que implica que se
comparten cuatro electrones.
Enlace
covalente triple
Los
enlaces covalentes triples no podían ser explicados utilizando el
modelo del átomo cúbico, pues en un enlace covalente triple se comparten
seis electrones. Según este modelo, en cada vértice del cubo está ubicado un
electrón y no es posible que dos cubos compartan los electrones ubicados en
seis vértices, por lo que no se puede explicar la formación de este tipo de
enlace.
7. Modelo atómico de Sommerfeld (1916)
Este
modelo mejoró el modelo de Bohr, pues establece que los electrones se mueven en
órbitas elípticas (no esféricas, como sugirió Bohr) alrededor del núcleo y que
además existen subniveles de energía en un mismo nivel de energía.
Sommerfeld
planteaba que los electrones que giraban
alrededor del núcleo lo hacían en órbitas elípticas. Con esto pretendía
solucionar la deficiencia del modelo de Bohr, quien sostenía, en un modelo
anterior, que los electrones giraban en órbitas circulares alrededor del núcleo
atómico.
En
este sentido, Sommerfeld hizo una serie de correcciones al anterior modelo de
Bohr. Así, Sommerfeld propuso un modelo relativista, pues descubrió que los
electrones de algunos átomos alcanzan una velocidad cercana a la de la luz
cuando giran alrededor del núcleo del átomo.
Postulados
·
Sommerfeld
propuso un conjunto de postulados en los que se sustenta su modelo atómico.
Para establecer estos postulados utilizó como base algunas características del
modelo atómico de Bohr y la teoría de la relatividad de Albert Einstein.
·
Movimiento de
los electrones alrededor del núcleo. Los electrones se mueven alrededor
del núcleo atómico describiendo órbitas circulares o elípticas.
·
Igual energía
en niveles, pero subniveles diferentes. Los electrones de un mismo nivel de
energía tienen la misma energía, pero a partir del segundo nivel de energía
existen subniveles de energía en cada nivel de energía, y cada subnivel tiene
una energía ligeramente diferente.
·
Número
cuántico azimutal y órbitas elípticas. Para las órbitas elípticas, la excentricidad
(cuánto se diferencia una elipse de la circunferencia que le dio origen) de
cada órbita llevó al surgimiento de un número cuántico nuevo: el número
cuántico azimutal. Este número cuántico determina la forma de los orbitales.
·
Corrientes
eléctricas en los electrones. Los electrones tienen pequeñas
corrientes eléctricas.
Aportaciones
del modelo Sommerfeld
·
Órbitas
elípticas.
Corrigió la suposición de Bohr, que dice que todas las órbitas tienen
trayectorias circulares, pues Sommerfeld estableció que existen órbitas que
tienen trayectorias elípticas.
·
Espectros de
emisión.
Pudo calcular con bastante exactitud la estructura de los espectros, es decir,
la aparición de líneas más finas en las líneas de emisión.
· Velocidad de los electrones. Descubrió que los electrones de algunos átomos tienen velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz (300 000 km/s).
8. Modelo atómico de Schrödinger
(1926)
El
modelo atómico de Schrödinger es uno de los modelos atómicos que se
establecieron para explicar la estructura
del átomo. Fue propuesto por el físico y filósofo austríaco
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger en el año 1926, quien, además, obtuvo
el premio
Nobel de física en el año 1933 por sus aportes a la teoría
atómica.
Su
modelo establece que los electrones son ondas estacionarias
de materia que
se mueven alrededor del núcleo atómico, es decir, que los electrones tienen
comportamiento ondulatorio y, a su vez, se comportan como partículas.
Schrödinger
utilizó el modelo atómico de Bohr, el modelo atómico de Sommerfeld y los
estudios del físico francés Luis de Broglie como base para proponer su modelo
atómico.
Las
suposiciones de Schrödinger hicieron posible que luego el matemático y físico
alemán Max Born pudiera hacer una interpretación probabilística para encontrar
a una partícula en el espacio, en este caso, el electrón.
Luego
de esta interpretación, la posición o la cantidad de movimiento de un
electrón se podían estudiar desde el punto de vista probabilístico, pero no
se podían conocer ambas a la vez, pues lo impide el Principio de Incertidumbre de
Heisenberg (que plantea que es imposible conocer algunas magnitudes físicas
observables a la vez, como la posición y la cantidad de movimiento).
9.Modelo
atómico actual
El
modelo atómico que se utiliza en la actualidad para representar la estructura y
las propiedades del átomo está enmarcado en la mecánica cuántica no relativista,
y se basa en el modelo propuesto por Schrödinger, en el espín
electrónico y en el Principio de exclusión de Pauli, que
plantea que dos electrones no pueden tener sus cuatro números cuánticos
iguales.
Los
electrones se consideran ondas de materia en el modelo atómico actual. Alrededor
del núcleo atómico, los electrones están distribuidos en regiones llamadas orbitales
atómicos, que se definen como las regiones donde es más probable
encontrar un electrón alrededor del núcleo. Por otra parte, en este modelo, la
energía y el momento angular del electrón no pueden tener cualquier valor, sino
que solo pueden tomar valores permitidos, por lo que se dice que están
cuantizados.
Utilizando
la ecuación de Schrödinger se pueden predecir los valores de energía y momento
angular asociados a un electrón, y el cuadrado de la función de onda asociada
determina los orbitales atómicos.
Algunos postulados del modelo
atómico actual son:
- El
electrón se representa por su espín, su masa y su carga eléctrica
negativa.
- El
electrón tiene comportamiento onda-partícula.
- Las
regiones permitidas para el electrón están determinadas por la función de
onda, y el cuadrado de esta representa la probabilidad de encontrar a un
electrón alrededor del núcleo.
- Un
mismo estado representado por los números cuánticos n (número cuántico
principal), l (número cuántico azimutal) y m (número cuántico magnético)
puede estar ocupado solo por dos electrones, siempre que estos tengan
espines contrarios. El espín es el cuarto número cuántico.