2. ESTRUCCTURA DE LA MATERIA. 2.1. ESPECTROS ATÓMICOS. Que al calentarse los elementos químicos emiten luz de distinto color era algo conocido por los fabricantes de fuegos artificiales, que mezclando con la pólvora diferentes compuestos obtenían explosiones de diverso color. El químico alemán Bunsen aplicó esta propiedad y demostró que el estudio de la llama de un compuesto químico podía ayudar a determinar su composición. A mitad del siglo XIX, con la colaboración del físico Kirchhoff, Bunsen descubrió los espectros atómicos. Cuando se calienta un elemento químico, emite un haz luminoso, pero de diferente propiedad a la luz solar. La luz del Sol es blanca y al descomponerse haciéndola pasar por un prisma se obtiene un espectro continuo de colores, similar a un arco iris. Al hacer pasar la luz emitida por un elemento a través de un prisma no se obtiene un espectro luminoso continuo, sino una serie de bandas de color sobre un fondo negro. Espectro de emisión del helio Robert Wilhem von Bunsen Gotinga, 1811 - Heidelberg, 1899 En su juventud estudió los compuestos orgánicos que contienen arsénico, lo que le ocasionó la pérdida de un ojo en una explosión y casi muere envenenado. Dedicado a la química inorgánica, desarrolló varios métodos para evitar la pérdida de calor, inventó varios calorímetros y explicó el comportamiento de los géiseres. Popularizó y perfeccionó el mechero Bunsen, universal en los laboratorios de química del mundo entero, mechero que produce una llama muy calorífica sin humo y sin vacilaciones. Junto a físico Kirchhoff inventó el espectroscopio y los espectros atómicos y descubrió los elementos cesio y rubidio. 14
El espectro de emisión de un elemento es característico, ningún otro elemento presenta las mismas bandas coloreadas y, además, es independiente del compuesto que forme. El sodio siempre presenta el mismo espectro, sin importar si está como cloruro, sulfato u óxido. La importancia de los espectros atómicos, en el análisis químico, fue rápidamente aceptada y gracias a ellos se descubrió, en el Sol, el elemento helio, antes incluso de su detección en la Tierra. DESCUBRIMIENTO DEL HELIO. En efecto, a principios del siglo XIX el físico Joseph von Fraunhoffer estudiando el espectro solar descubrió una serie de líneas oscuras, las líneas de Fraunhoffer. Estas líneas corresponden a los espectros de absorción de los elementos que se encuentran en la atmósfera solar. Durante el eclipse de 1868, el astrónomo francés Janssen observó una línea de color amarillo que no correspondía con ningún elemento conocido y el astrónomo inglés Lockyer sugirió que correspondía a un elemento no descubierto todavía en la Tierra, y propuso el nombre de helio, el nombre del dios griego del Sol, para el elemento. La propuesta no fue aceptada por los químicos de la época. En 1895, el químico escocés Ramsay descubrió un gas emitido por las sustancias radiactivas y cuyo espectro coincidía con las líneas descubiertas casi treinta años antes por Janssen. William Ramsay mantuvo el nombre propuesto por Lockyer: helio, y se considera su descubridor. 2.2. ESPECTROS DE ABSORCIÓN. Si se hace pasar un rayo de luz blanca a través de los vapores de un elemento se obtiene un espectro de absorción. Al descomponer la luz blanca aparecen una serie de bandas oscuras, justamente en los lugares en los que el elemento atravesado emitía la luz en su espectro de emisión. La posición de las rayas, en los espectros de absorción y emisión, coinciden. Espectro de absorción Espectro de emisión 15
El espectro de absorción se produce porque los electrones atómicos pasan de un orbital a otro, absorbiendo unas radiaciones determinadas. El espectro de emisión se produce cuando los electrones atómicos saltan de unos orbitales a otros de menor energía, desprendiendo luz. Puesto que el espectro de emisión y el de absorción coinciden y no dependen del compuesto estudiado, sino del elemento, parece claro que los espectros atómicos están relacionados con los átomos, que deben tener una estructura interna que de cuenta de ambos tipos de espectros. 2.3. PARTÍCULAS SUBATÓMICAS. Se pueden obtener espectros atómicos sometiendo los elementos a grandes diferencias de potencial eléctrico en tubos en los que se ha hecho el vacío. Cuando estas experiencias se llevaron a efecto, se descubrieron unos rayos, los rayos catódicos, que estaban formados por unas partículas mucho más pequeñas que los átomos y que tenían carga negativa, las mismas para todos los elementos. Se las denominó electrones. RAYOS CATÓDICOS Y RAYOS CANALES. En los tubos de descargas se producen dos tipos de radiaciones: rayos catódicos y rayos canales. Los rayos catódicos tienen carga negativa, ya que se desvían hacia la placa positiva cuando se conecta un campo eléctrico: Los rayos catódicos están formados por electrones. Los rayos canales tienen carga positiva, ya que se desvían hacia la placa negativa cuando se conecta un campo eléctrico: Los rayos canales están formados por protones. 16
Junto a los electrones aparecían partículas con carga positiva, que cambiaban de un elemento a otro, aunque las más pequeñas eran las que aparecían cuando el tubo contenía hidrógeno y recibieron el nombre de protones. Aunque era la más pequeña partícula con carga positiva, su masa era 1840 veces la masa del electrón y su carga era igual. Ya durante el siglo XX se descubrió una partícula sin carga, con una masa similar a la del protón. Recibió el nombre de neutrón. Los físicos han determinado más de un centenar de partículas subatómicas. Gluones, quarks, mesones π, mesones µ, partículas Σ... son sólo una muestra. Pero en Química, sólo son importantes los protones, con carga positiva, los electrones, con carga negativa, y los neutrones, sin carga eléctrica. Protón Electrón Neutrón Carga 1.602 10-19 C - 1.602 10-19 C 0 C Masa 1.6726 10-27 Kg 9.1096 10-31 Kg 1.6750 10-27 2.4. MODELOS DE THOMPSON Y RUTHERFORD. Joseph John Thomson Manchester, 1856 - Cambridge, 1940 Interesado por la teoría de la radiación electromagnética de Maxwell, estudió los rayos catódicos que había descubierto Crookes. Descubrió que estaban formados por partículas muy pequeñas con carga negativa a las que denominó electrones. Fue la primera partícula subatómica descubierta. Propuso un modelo para explicar la estructura interna del átomo, modelo que fue rápidamente sustituido por el más perfeccionado de Rutherford. Investigador de los rayos canales, determinó que los elementos químicos no radiactivos también tenían isótopos, como los radiactivos. Murió la víspera de la batalla de Inglaterra, en plena segunda guerra mundial. Fue enterrado en la abadía de Westminster, junto a Newton. Thomson, descubridor del electrón, propuso una estructura atómica similar aun pastel con pasas. El átomo era una esfera esponjosa con carga positiva en la que se 17
incrustaban los electrones, tantos como fueran necesarios para compensar su carga y que el átomo resultara eléctricamente neutro. Para poner a prueba este modelo, Rutherford realizó una serie de experiencias en las que bombardeaba una lámina muy delgada de oro con partículas a, partículas radiactivas de carga positiva. Si el modelo atómico de Thomson se correspondía con la realidad, las partículas a atravesarían los átomos sin alterar su trayectoria. Aunque pocas, Rutherford observó que aunque la mayoría de las partículas a atravesaban la lámina como predecía la teoría, unas pocas prácticamente rebotaban y salían hacia atrás (una de cada diez mil). Según las palabras del propio Rutherford: Es tan sorprendente como si al disparar balas de 15 pulgadas contra una hoja de papel, algunas rebotasen. Ernest Rutherford Nelson, Nueva Zelanda, 1867 - Londres, 1937 Hijo de un granjero, ganó una beca para estudiar en la universidad de Nueva Zelanda, en la que desarrolló un detector magnético de ondas de radio. Obtuvo una beca para la universidad de Cambridge, en la que trabajó con Thomson. Estudió la radiactividad y descubrió que estaba formada por tres tipos de radiaciones, a las que llamó alfa (a), beta (b) y gamma (g). Codescubridor de las series radioactivas y de la vida media de los elementos radiactivos, demostró que los rayos a estaban formados por núcleos de átomos de helio, y sugirió que las partículas positivas más pequeñas serían los núcleos del átomo de hidrógeno, partícula a la que denominó protón. Mediante experiencias con partículas a, propuso le modelo de átomo nucleado que, con variaciones, ha llegado hasta hoy y fue el primer hombre en lograr la transmutación de los elementos, convirtiendo nitrógeno en oxígeno. 18
Para explicar esta experiencia, Rutherford propuso su modelo atómico, en el que el átomo es prácticamente un espacio vacío en cuyo centro se encuentra un núcleo, que tiene casi toda la masa del átomo y carga positiva. Alrededor del núcleo giran los electrones, de forma que el átomo en conjunto sea neutro. 2.5. MODELO DE BOHR. Niels Henrik David Bohr Copenhague, 1885 - Copenhague, 1962 Doctorado en la universidad de Copenhague, consiguió una beca otorgada por la cerveza Carlsberg para estudiar en Cambridge, universidad en la que colaboró con Rutherford. Complementando la idea del átomo nuclear de Rutherford con las ideas cuánticas de Plank, desarrolló un modelo atómico cuántico, capaz de explicar el espectro del átomo de hidrógeno. Colaboró activamente en el desarrollo de la mecánica cuántica actual y mantuvo con todos los físicos que, durante los años veinte, contribuyeron a su perfeccionamiento. Propuso el principio de complementariedad y sus interminables debates con Einstein, que se oponía firmemente a la mecánica cuántica, contribuyeron a afianzarla y a llevarla a su madurez. Desarrolló una teoría sobre la fisión nuclear y determinó que era el isótopo 235 del uranio el núcleo que se fisionaba. Emigró a Inglaterra en 1943, huyendo de la invasión nazi. Galardonado con el premio nobel, su lucha por el desarrollo pacífico de la energía nuclear le valió el premio Átomos para la Paz en 1957. El modelo atómico de Rutherford resultaba incompleto, ya que no explicaba las líneas de los espectros atómicos y, además, era inestable: un electrón que siguiera una órbita circular emitiría energía y acabaría cayendo en el núcleo. El físico danés Bohr propuso un nuevo modelo atómico basado en cuatro postulados, entre los que se encontraba la estabilidad de las órbitas: 1. El átomo está formado por un núcleo, con carga positiva y que contiene la mayor parte de la masa del átomo, y una corteza en la que se mueven los electrones. 19
La mayor parte del átomo está formado por espacio vacío. El tamaño del núcleo, que contiene casi toda su masa y toda su carga positiva, es miles de veces menor que el átomo. 2. Los electrones se mueven en órbitas circulares alrededor del núcleo atómico, de forma que la fuerza con la que lo atrae el núcleo atómico, por atracción electrostática, es igual a la fuerza centrífuga, debida al giro. Si llamamos e a la carga del electrón y Z el número atómico, y por tanto los protones del núcleo, r la distancia del electrón al núcleo, m a su masa y v a su velocidad: Z e 2 K v 2 = m r 2 r El radio de la órbita del electrón será: Z e 2 r = K m v 2 3. Sólo son posibles aquellas órbitas en las que el momento angular del electrón sea múltiplo de la constante de Plank. En estas órbitas, el electrón ni emite ni absorbe energía. Si, como antes, llamamos m a la masa del electrón, v a su velocidad y r a la distancia al núcleo, como la constante de Planck se escribe h, quedaría: n h m v r = 2 π Donde n se llama número cuántico principal y determina el radio de la órbita del electrón y su velocidad en ella. 20