Tema 1: ESTRUCTURA DE
LOS MATERIALES
Estructura
de Lewis (electrones de Valencia) y Enlaces Químicos
Configuración Electrónica y
Niveles de Energía.
Aprendizajes Esperados: •Identifica los componentes del
modelo atómico de Bohr (protones, neutrones y electrones), así como la función
de los electrones de valencia para comprender la estructura de los materiales.
Aprendizajes Esperados: •Representa el enlace químico mediante los
electrones de valencia a partir de la estructura de Lewis.
Aprendizaje
Esperado. Indica la manera en la cual los electrones se estructuran y organizan
en un átomo de acuerdo con los subniveles de energía s,p,d,f
¿Qué es el número atómico?
Es
el número total de protones que componen el núcleo atómico de un elemento
químico determinado.
Suele
denotarse con la letra Z y colocarse como subíndice a la izquierda del símbolo
químico del elemento en cuestión, justo debajo del número másico A (cantidad de
nucleones en el núcleo, es decir, suma del número de protones y el número de
neutrones). Por ejemplo: Na (elemento: sodio, número atómico: 11, y número
másico: 23).
Todos
los átomos están compuestos de partículas subatómicas: algunas forman parte de
su núcleo (protones y neutrones) y otras giran a su alrededor (electrones). Los
protones tienen carga positiva, los neutrones tienen carga neutra y los
electrones tienen carga negativa (electrones).
Dado
que los átomos en la naturaleza son eléctricamente neutros, la cantidad de
partículas positivas y negativas es la misma, de modo que si un átomo tiene Z =
11, tendrá once protones y once electrones alrededor.
Además,
el número atómico permite organizar los elementos conocidos en la Tabla
Periódica, van del menor al mayor número de protones en el núcleo a medida que
se avanza por las filas y columnas de la tabla. Por ejemplo, el hidrógeno (H)
tiene apenas un protón (Z = 1), mientras que el oganesón (Og) posee ciento
dieciocho (Z = 118). Así se puede diferenciar elementos livianos de elementos
pesados.
El número másico es la suma de los
protones y los neutrones. Se denota con la letra A (del alemán
Atomgewicht) como superíndice a la izquierda del símbolo químico (por ejemplo:
23Na). El número másico o masa atómica
suele ser aproximadamente el doble que el número atómico ya que los neutrones
brindan estabilidad al núcleo atómico, y superan así la natural repulsión entre
protones de carga positiva. A diferencia del número atómico, el número másico
varía en cada isótopo.
El
número másico puede calcularse según la fórmula: Número másico (A) = número
atómico (Z) + número de neutrones (N).
No
debe confundirse el número másico con la masa atómica. La masa atómica se mide
en unidades u.m.a (unidad de masa atómica) o Da (dalton). Esta unidad se
calcula a partir del átomo de carbono y cada u.m.a es una doceava parte de su
masa. En la tabla periódica figura la masa atómica del isótopo más estable.
¿Qué
es un átomo?
Se conoce como átomo a la unidad más pequeña que
constituye la materia. Los átomos tienen las propiedades del elemento químico
que componen y, a su vez, los elementos están organizados y clasificados según
sus números atómicos, configuración electrónica y propiedades químicas en la
Tabla Periódica de los elementos.
Un mismo elemento químico puede estar compuesto
por distintos átomos de la misma clase, es decir, con mismo número atómico
(número de protones que tiene cada átomo en el elemento), aunque sus masas
atómicas sean distintas.
Por ejemplo, existen distintos átomos de un mismo
elemento que difieren en su número de neutrones, y son llamados isótopos, un
caso representativo son los isótopos del elemento carbono (12C, 13C, 14C).
Entonces, cada átomo pertenece a un mismo elemento químico o no, dependiendo de
su número de protones, por lo que los átomos con el mismo número de protones
pertenecen a un mismo elemento químico.
¿Cómo
se compone un átomo?
Los átomos están compuestos por un núcleo y uno o
varios electrones (que tienen carga negativa) alrededor de él. El núcleo está
compuesto por partículas llamadas protones y neutrones. Los protones tienen
carga positiva y los neutrones son neutros. Al conjunto de protones y neutrones
se les llama nucleones.
Los protones
y electrones se atraen entre sí por la fuerza electromagnética (interacción
que presentan las partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos),
mientras que los protones y neutrones se atraen entre sí por la fuerza nuclear
(fuerza que experimentan únicamente las partículas que componen el núcleo
atómico).
Los
átomos se componen de dos partes esenciales:
El
núcleo. Alrededor del 99,94 % de la
masa de un átomo está concentrada en el núcleo, donde están los protones y los
neutrones (que en su conjunto son llamados “nucleones”), unidos por las fuerzas
nucleares fuertes, lo cual impide que los protones se repelan entre sí, al
poseer una misma carga eléctrica.
Los
orbitales atómicos. Un orbital
describe una región del espacio que rodea al núcleo atómico en la que la
probabilidad de encontrar un electrón es muy alta. Estas regiones tienen
diferentes formas que son obtenidas como resultado de resolver la ecuación
estacionaria de Schrödinger. Erwin Schrödinger fue un científico austríaco que
desarrolló en 1925 esta ecuación para calcular la evolución de una partícula
subatómica, como por ejemplo los electrones. Así, los electrones forman una
especie de “nube” alrededor del núcleo, que está representada por la forma de
los orbitales atómicos. Por otra parte, cada orbital atómico corresponde a un
cierto valor de energía para los electrones, por lo que están organizados según
sus valores de energía. En la siguiente figura se muestran las formas de los
primeros orbitales atómicos:
¿Qué son las partículas subatómicas?
Se
entiende por partículas subatómicas a las estructuras de la materia que son más
pequeñas que el átomo y que, por ende, forman parte de éste y determinan sus
propiedades. Dichas partículas pueden ser de dos tipos: compuestas (divisibles)
o elementales (indivisibles).
A
lo largo de la historia, el ser humano ha estudiado la materia y ha propuesto
diversas teorías y aproximaciones más o menos científicas a las partículas más
pequeñas que existen, las que lo componen todo.
Los
distintos modelos atómicos propuestos desde la antigüedad encontraron lo que
parece ser su forma definitiva en la contemporaneidad, gracias al desarrollo de
la teoría cuántica, la electroquímica y la física nuclear, entre otras
disciplinas.
Así,
se sabe hoy que el átomo, la unidad más pequeña en que se encuentra la materia
y que tiene las propiedades de un elemento químico, se compone en su mayor
parte de vacío, con un núcleo de partículas en el que se concentra el mayor
porcentaje de su masa, y otras partículas más (los electrones) girando a su
alrededor.
Las
partículas subatómicas se clasifican de acuerdo a diversos criterios. Por
ejemplo, las partículas más conocidas y estables son tres: electrones, protones
y neutrones, diferentes entre sí por su carga eléctrica (negativa, positiva y
neutra respectivamente) y su masa, o por el hecho de que los electrones son
partículas elementales (indivisibles) y las últimas dos son compuestas. Además,
los electrones orbitan el núcleo, mientras los protones y neutrones lo
componen.
Por
otro lado, los protones y neutrones, al ser partículas compuestas, pueden
subdividirse en otras partículas llamadas quarks.
¿Qué es un electrón?
Un
electrón es un tipo de partícula subatómica que presenta carga eléctrica negativa
y que orbita activamente el núcleo atómico (compuesto por protones y
neutrones), que presenta una carga eléctrica positiva.
El
tamaño de un electrón es 1836 veces menor que el de los protones (aportan el
0,06 % de la masa total de un átomo) y, al no tener subestructuras ni
divisiones, se lo considera una partícula elemental de la materia.
Los
electrones juegan un rol esencial en determinas fuerzas y fenómenos físicos de
la naturaleza, como la electricidad, el magnetismo o la conductividad térmica,
y en gran medida determinan las uniones atómicas, tanto iónicas (de pérdida o
ganancia de electrones) o covalentes (de uso conjunto de electrones). Los
electrones generan campos eléctricos que afectan a las partículas cargadas a su
alrededor.
El
origen de los electrones, conforme a la teoría más aceptada respecto del origen
del universo, apunta a que se formaron durante los primeros milisegundos del
Big Bang, cuyas temperaturas superaban los 1010 K, suficientes para formar
pares de positrones (e+) – electrones (e-) que se aniquilaban entre sí por
tener carga eléctrica contraria.
Por
razones desconocidas, el número de electrones fue muy superior al de los
protones, por lo que sobrevivieron y empezaron a ser atraídos por los primeros
protones cuando el universo se enfrió lo suficiente, formando así los átomos
más elementales de la naturaleza.
La
cantidad de electrones en los átomos de la materia determina que ésta tenga una
carga neutra (equilibrio entre protones y electrones), positiva (escasez de
electrones) o negativa (exceso de electrones).
Al
mismo tiempo, existen electrones “libres” que pueden desplazarse de un átomo a
otro de la materia, generando flujos eléctricos o campos magnéticos,
dependiendo de la temperatura a la que se encuentren. Existen materiales que se
conocen como conductores, en los que los electrones pueden moverse libremente
de átomo en átomo y así generar flujos de átomos en movimiento, lo que conoce
como corriente eléctrica.
Los
electrones pertenecen a un tipo de partículas elementales llamadas leptones.
Existen también otros dos grupos de partículas elementales denominadas quarks y
bosones. Para cada tipo de partícula existen tres familias o generaciones.
Los
electrones son los leptones con carga eléctrica de menor masa del conjunto, y
pertenecen a la primera generación de partículas fundamentales (la segunda y
tercera generación contiene a las partículas muon y tau).
La
masa de un electrón es siempre 9,019 x 10-31 kg y su carga eléctrica respectiva
es de -1,602 x 10-19 coulomb, lo cual representa una carga idéntica a la del
protón, pero de signo opuesto. Esa medida es conocida como la carga elemental
de la naturaleza.
¿Quién descubrió el electrón?
El
electrón fue descubierto a finales del siglo XIX, gracias a sucesivas
investigaciones en el campo de la conductividad eléctrica en gases. Utilizando
rayos catódicos se observaron fenómenos que llevaron a la conclusión de que
estos rayos eran partículas cargadas negativamente, llamadas inicialmente
corpúsculos y que tenían la milésima parte de la masa del ion de hidrógeno, el
menos masivo de todos los átomos. Lo curioso es que, al variar la naturaleza
del gas empleado, estas partículas conservaban todas sus características.
A
fines del siglo XIX, el irlandés George Francis Fitzgerald las bautizó
“electrones”, nombre que desde el principio gozó de aceptación general. La
pertenencia de estas partículas a la estructura del átomo se postuló alrededor
de 1900, gracias a los experimentos de Rutherford, Moseley, Franck y Hertz, y
al modelo atómico propuesto posteriormente por Niels Bohr.
¿Qué es un protón? El
protón es un tipo de partícula subatómica, es decir, una de las partículas
mínimas que constituyen al átomo. Pertenece a la familia de los fermiones y
está dotado de carga eléctrica positiva.
Toda
la materia está hecha de átomos, y estos a su vez, están compuestos
esencialmente por tres tipos de partículas dotados de carga eléctrica
diferente: los electrones (carga negativa), los neutrones (carga neutra) y los
protones (carga positiva).
Durante
mucho tiempo se pensó que el protón era un tipo fundamental de partícula, es
decir, que no se lo podía dividir. Sin embargo, hoy existe sólida evidencia de
que está compuesto de quarks.
En
todo caso, el protón es una partícula subatómica estable. A diferencia del
electrón, que orbita alrededor del núcleo del átomo, los protones se encuentran
contenidos en el núcleo atómico junto a los neutrones, aportando la mayor parte
de la masa atómica.
Los
protones fueron descubiertos en 1918 por Ernest
Rutherford (1871-1937), químico y físico británico. En medio de
experimentos con gas de nitrógeno, Rutherford notó que sus instrumentos
detectaban la presencia de núcleos de hidrógeno al disparar partículas alfa
contra el gas.
Además,
el británico J. J. Thompson (1856-1940) ya había descubierto los electrones y
su carga negativa, es decir que era necesario que hubiera en el átomo algún
otro tipo de partícula con carga opuesta.
Los
protones son partículas compuestas estables, mucho más masivos que un electrón
(1836 veces) y dotados de una carga elemental positiva de 1 (1,6 x 10-19 C). Se
encuentran compuestos por tres partículas elementales o quarks: dos “up”
(arriba) y uno “down” (abajo). Su vida media es superior a 1035 años, momento a
partir del cual son susceptibles de descomponerse.
Los
protones poseen, como otras partículas subatómicas, un espín propio, o sea, un
momento angular intrínseco e invariable, que en este caso es de ½. Esta
propiedad resulta particularmente útil para las resonancias magnéticas
nucleares y otro tipo de aplicaciones tecnológicas modernas.
¿Qué es un neutrón?
Un
neutrón es un tipo de partícula subatómica (partículas que componen los átomos
de la materia) presente en el núcleo de algunos átomos y dotada de una carga
eléctrica neutra. Todos los átomos del universo se componen de neutrones,
protones (de carga eléctrica positiva) y electrones (de carga eléctrica
negativa).
Los
neutrones se hallan en el núcleo de los átomos (excepto en el de hidrógeno),
junto a los protones. Se mantienen allí unidos por fuerzas nucleares fuertes,
mientras que los electrones, en el módelo atómico clásico, danzan alrededor en
distintas órbitas. Por ese motivo se les conoce a protones y neutrones como
nucleones.
Descubrimiento
del neutrón
James
Chadwick-neutron
James
Chadwick comprobó experimentalmente la existencia del neutrón.
Antes
del descubrimiento de los neutrones, existía una incógnita respecto a la masa y
carga de los átomos, en especial cuando se evidenció que los electrones no
podían estar en el núcleo atómico, pero que la masa nuclear no se correspondía
exactamente con la masa total de los protones.
Así,
el físico alemán Ernest Rutherford, quien descubrió los protones, propuso en
1920 la necesidad de que existiera un neutrón, o sea, una partícula que
aportara masa al átomo sin modificar su carga eléctrica.
Años
después, los neutrones fueron descubiertos en 1932, por el físico inglés James
Chadwick, ganador en 1935 del Premio Nobel de Física. Gracias a distintas
experiencias y estudios de la radiación obtenida al golpear parafina u otros
compuestos ricos en hidrógeno, Chadwick demostró que las predicciones físicas
no se correspondían con el fenómeno observado.
Es
decir que la radiación obtenida provenía de partículas similares al protón,
pero que no poseían una carga eléctrica. Esa fue la primera experiencia que
condujo al hallazgo formal de los neutrones.
Propiedades
de los neutrones. Los
neutrones poseen una masa similar a la del protón, pero ligeramente mayor
(1,00137 veces) y, por lo tanto, mucho mayor a la del electrón (1838,5 veces).
Como los protones, están compuestos por partículas fundamentales llamadas
quarks. Los neutrones poseen dos quarks “down” (abajo) y uno “up” (arriba). La
suma de las cargas de estos quarks es cero.
Cuando
se encuentran en el núcleo atómico, los neutrones son estables, pero cuando se
hallan por fuera, en estado libre, poseen una vida media de 879,4 segundos,
antes de descomponerse en un protón, un electrón y antineutrino electrónico.
Esto es lo que ocurre a menudo en el interior de las plantas nucleares, donde
hay una alta concentración de neutrones libres.
Una
breve historia de los átomos. La evolución química del Universo.
Los
filósofos griegos discutieron mucho sobre la naturaleza de la materia y
concluyeron que el mundo era más sencillo de lo que parecía.
En
el siglo V a.C., Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía,
además, que, si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas,
acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Un
discípulo suyo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con
el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”.
Empédocles
estableció que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, agua, aire y
fuego.
Aristóteles
negó la existencia de los átomos de Demócrito y reconoció la teoría de los 4
elementos, que, gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el
pensamiento de la humanidad durante 2000 años. Hoy sabemos que aquellos 4
elementos iniciales no forman parte de los 106 elementos químicos actuales.
Una
vez aceptada la teoría atómica de la materia, los fenómenos de electrización y
electrólisis pusieron de manifiesto, por un lado, la naturaleza eléctrica de la
materia y, por otro, que el átomo era divisible, es decir, que estaba formado
por partículas más pequeñas que el propio átomo.
Después
de la suposición del Demócrito, ahí quedo la cosa hasta que Dalton, en 1803
lanzó su teoría atómica de la materia y la demostró con múltiples experimentos.
En
ella decía que todos los elementos que se conocen están constituidos por átomos
y que estos eran lo más pequeño en que se podía dividir la materia, es decir
eran indivisibles.
Fue
el primero en crear una «Teoría Atómica» llamada Teoría Atómica de Dalton.
Dalton
utilizó su teoría para explicar y demostrar la existencia del átomo, más o
menos igual que Demócrito, pero con un montón de experimentos que se habían
hecho sobre los gases, y para calcular los pesos atómicos de los elementos.
La
teoría atómica de Dalton era útil para muchos cálculos y ayudaba a explicar una
gran cantidad de datos.
El
error de su teoría era que decía que el átomo era indivisible, cosa que hoy en
día se ha demostrado que es falso.
Faltaba
por descubrir el electrón, el protón, el
neutrón y el núcleo del átomo.
En
1906 J.J. Thomson, supuso que Dalton
estaba equivocado, porque el átomo estaba compuesto de electrones, partículas
más pequeñas que el átomo.
Los
experimentos de Thomson mostraron que las partículas negativas son todas
iguales y más pequeñas que los átomos.
Thomson
llegó a la conclusión de que las partículas negativas no podían ser las
unidades fundamentales de la materia, ya que eran todas iguales.
En
lugar de ello, planteó que deberían ser parte de los átomos.
Las
partículas negativas fueron más tarde llamadas electrones. Thomson fue el
descubridor del electrón Millikan, lo confirmó veinte años después.
En
1911 Rutherford, lanzó la primera
teoría sobre la estructura del átomo, en ella decía que los electrones giraban
alrededor del núcleo como si fuera un sistema solar en miniatura.
Fue
el descubridor del núcleo del átomo.
Esta
teoría se mantuvo hasta 1913, fecha en la cual Bohr, lanzó una nueva teoría
atómica, en ella decía que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas
y las demás partículas se concentraban en el núcleo del átomo.
Esta
teoría fue y es de las más importantes, llamada Teoría Atómica de Bohr.
Más
tarde, En 1919, de nuevo Rutherford, descubrió que el núcleo de los átomos
estaba compuesto por protones, y que estos tenían carga positiva.
La
teoría atómica de Bohr no era la definitiva, pero si la base de las teorías
actuales sobre el átomo.
Y
en 1932 Chadwick, descubrió el
neutrón, una de las partículas fundamentales de la materia que se encuentra en
el núcleo del átomo.
