Qué ocurriría si dividiéramos un trozo de materia muchas veces? Llegaríamos hasta una parte indivisible o podríamos seguir dividiendo sin parar?

Transcripción

1 3 El átomo y los modelos atómicos El átomo a través de la historia Las primeras teorías atomistas Qué ocurriría si dividiéramos un trozo de materia muchas veces? Llegaríamos hasta una parte indivisible o podríamos seguir dividiendo sin parar? Los filósofos de la antigua Grecia discutieron bastante sobre este tema. El problema es que estos filósofos no utilizaban ni la medición ni la experimentación para llegar a conclusiones, por tanto, no seguían las fases del método científico. De esta forma, se establecieron dos teorías: atomista (basada en la existencia de partes indivisibles) y continuista, (basada en la posibilidad de seguir dividiendo) 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. Los atomistas pensaban que: - Todo está hecho de átomos. Si dividimos una sustancia muchas veces, llegaremos a ellos. - Las propiedades de la materia varían según como se agrupen los átomos. - Los átomos no pueden verse porque son muy pequeños. Aristóteles rechazó la teoría atomista y estableció que la materia estaba formada por cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego, esta teoría se llamó continuista. Gracias al prestigio que tenía, se mantuvo vigente en el pensamiento de la humanidad durante más de 2000 años. Los continuistas pensaban que: - Los átomos no existen. No hay límite para dividir la materia. - Si las partículas, llamadas átomos, no pueden verse, entonces es que no existen. - Todas las sustancias están formadas por las combinaciones de los 4 elementos básicos: agua, aire, tierra y fuego. NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 1

2 Teoría atómica de Dalton La adquisición de la idea de sustancia pura y de los diferentes tipos de mezclas, así como la distinción entre elemento químico y compuesto químico, hace necesaria la utilización de una nueva teoría para explicar la naturaleza microscópica de los sistemas materiales. Así, aparece la teoría atómica del científico británico John Dalton, que arranca de las ideas del filósofo griego Demócrito sobre el átomo. HIPÓTESIS DE DALTON La materia está formada por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. Los átomos de un mismo elemento quimifico son todos iguales entre sí, y tienen todos ellos la misma forma, tamaño y masa. Los átomos de un elemento químico son diferentes de los de otro elemento químico. Es imposible crear o destruir átomos. Los compuestos químicos se forman cuando se combinan entre sí los átomos de los elementos químicos en una proporción fija. Dalton no intuyó el concepto de molécula tal como se definió más tarde, pero sí que admitió la posibilidad de que los átomos se pudieran combinar. El átomo Para Dalton el átomo era la partícula más pequeña e indivisible de la materia. No se le ocurrió relacionar el átomo con los fenómenos eléctricos. Durante el siglo XIX fue tomando cuerpo la idea de que en el átomo debía estar la explicación de los fenómenos eléctricos. Después de diversas experiencias, se enunció una nueva teoría de la materia con un átomo divisible y constituido por las siguientes partículas subatómicas: electrones protones neutrones La carga eléctrica es la propiedad general de la materia que permite explicar los fenómenos eléctricos. Existen cargas eléctricas positivas y negativas, de forma que objetos con cargas eléctricas de signo opuesto se atraen y objetos con cargas eléctricas del mismo signo se repelen. El electrón e es la partículas subatómica con una carga eléctrica negativa, mientras que el protón p + tiene una carga eléctrica positiva y el neutrón n carece de carga eléctrica. El electrón es la carga más pequeña que hay en la naturaleza y que se pone de 2 FÍSICA Y QUÍMICA NIVEL II

3 manifiesto en los fenómenos eléctricos. Cualquier otra carga eléctrica tiene un valor numérico que es un múltiplo entero del mismo. La magnitud de la carga eléctrica del electrón es igual a la del protón, aunque su signo sea opuesto. Un átomo es un sistema eléctricamente neutro y, por tanto, la suma algebraica del número de cargas eléctricas positivas y negativas del átomo es igual a cero. Modelos atómicos de Thomson y Rutherford El científico inglés Thomsom, en 1904 desarrolla su modelo atómico con la imagen del átomo asociada a una esfera material de electricidad positiva, que contiene los electrones en forma de pequeños gránulos. Posteriormente, Rutherford, realiza un experimento con el fin de comprobar la veracidad del modelo de Thomsom. El experimento consistió en mandar un haz de partículas alfa, obtenidas de la desintegración del plonio y observar cómo dicha lámina afectaba a la trayectoria de dichos rayos. Para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él. Según el modelo de Thomsom, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria: La carga positiva y los electrones del átomo se encontraban dispersos de forma homogénea en todo el volumen del átomo. Como las partículas alfa poseen una gran masa (8.000 veces mayor que la del electrón) y gran velocidad (unos km/s), la fuerzas eléctricas serían muy débiles e insuficientes para conseguir desviar las partículas alfa. Además, para atravesar la lámina del metal, estas partículas se encontrarían con muchos átomos, que irían compensando las desviaciones hacia diferentes direcciones. Pero, por el contrario, Rutherford NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 3

4 observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada partícula al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200 átomos de espesor. Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío. Además. la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa. Así, Rutherford propone que el átomo está formado por un núcleo central con una carga eléctrica positiva y con casi toda la masa del átomo y una corteza exterior donde giran los electrones. Además, el tamaño del núcleo es muy reducido comparado en el tamaño total del átomo. Número atómico y número másico Un átomo de un elemento químico está formado por: un núcleo, donde se sitúan los protones y los neutrones. una corteza, que es el espacio en el que se mueven los electrones en torno al núcleo y a una gran distancia del mismo. Los átomos de los distintos elementos químicos se identifican por su número atómico Z y su número másico A y se representan mediante: A Z Símbolo del elemento Z es el número atómico e indica el número de protones del núcleo. A es el número másico y muestra el número de partículas que constituyen el núcleo del átomo: número de protones Z, más el número de neutrones N: Iones: cationes y aniones A=Z+N En un átomo, las únicas partículas subatómicas que están en movimiento son los electrones. Puede ocurrir que los átomos pierdan o ganen electrones de la corteza mediante un intercambio de energía y se conviertan en iones. Un ion se caracteriza por tener una carga eléctrica neta igual al número de electrones perdidos o ganados en el proceso de su formación. Los iones pueden ser de dos tipos: cationes o aniones. Un átomo X que pierde electrones se convierte en catión. La formación del catión con carga eléctrica n + se representa mediante: 4 FÍSICA Y QUÍMICA NIVEL II

5 X+ne - X n- +ne - Por ejemplo: Ca Ca 2+ +2e - Un átomo X que gana electrones se convierte en anión. La formación del anión con carga eléctrica n - se representa mediante: X X n+ +ne - Por ejemplo: P+3e - P 3- La formación de un ion siempre ocurre por la pérdida o ganancia de electrones de la corteza, nunca de protones del núcleo del átomo. El gran acierto del modelo atómico de Rutherford es que permite explicar y comprender los fenómenos de electrización y conducción de la materia en base a la movilidad de los electrones de la corteza de los átomos. Isótopos Los Isótopos son átomos de un mismo elemento químico que tienen igual número atómico, pero distinto número másico. Lo que distingue a los átomos de diferentes elementos químicos es el valor de su número atómico. En la naturaleza hay isótopos muy estables y otros que son inestables y radiactivos. Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos: el protio el deuterio y el tritio. De ellos los dos primeros no son radiactivos, pero el tritio sí los es. La masa del átomo La masa es una magnitud que permite caracterizar a los átomos de los distintos elementos químicos. Debido al tamaño tan pequeño de los átomos no es útil usar como unidad de masa de referencia el kilogramo, sino otra unidad denominada unidad de masa atómica, que se simboliza mediante la letra «u». La unidad de masa atómica u, se define como la doceava parte de la masa del isótopo del átomo de carbono de número másico igual a 12. La relación entre la masa en u y en kg está dada por la ecuación: 1 u = 1, kg La existencia de diferentes isótopos de un mismo elemento químico hace que la masa de un átomo de un elemento químico es siempre la masa media ponderada de la masa atómica de los distintos isótopos de dicho elemento químico, o sea, es el valor medio de las masas de los diferentes isótopos, pero teniendo en cuenta la abundancia o tanto por ciento de cada uno de sus diferentes isótopos. NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 5