Estructura atómica

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En estos apuntes hemos incorporado algunas de las ideas clave que puedes encontrar en la excelente unidad didáctica escrita y comentada por Jeff Wiener para el CERN.

Teoría atómica de Dalton

En 1808, John Dalton retoma las ideas atomistas de Leucipo y su discípulo Demócrito.

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Su teoría se basa en:

  • La materia está formada por partículas muy pequeñas e indivisibles, llamadas átomos.
  • Los átomos de un mismo elemento químico son todos iguales entre sí, y distintos de los de otro elemento químico.
  • Los compuestos químicos se forman por la unión de dos o más átomos según una relación numérica sencilla y constante.

El átomo

En la actualidad sabemos que los átomos se dividen en dos zonas:

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Espacio del núcleo

Donde se encuentran los:

  • Protones: sistemas de partículas con carga eléctrica positiva.
  • Neutrones: sistemas neutros (sin carga eléctrica) de partículas.

Espacio orbital

Donde es probable encontrar los electrones (partículas elementales con carga eléctrica negativa).

La siguiente tabla muestra la masa y carga de las partículas que componen los átomos:

Partícula Masa/kg Carga/C
Protón $1.673\times 10^{-27}$ $1.602\times 10^{-19}$
Neutrón $1.675\times 10^{-27}$ $0$
Electrón $9.109\times 10^{-31}$ $-1.602\times 10^{-19}$
$m_\text{protón}\simeq m_\text{neutrón}\sim 2000m_\text{electrón}$
$q_\text{protón}=-q_\text{electrón}$

Número atómico $Z$

El número atómico, $Z$, es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo.

Todos los átomos de un mismo elemento químico tienen el mismo número de protones en su núcleo y por tanto el mismo número atómico $Z$.

Número másico $A$

El número másico, $A$, es la suma de protones y neutrones, cumpliéndose por tanto:

$$ A = Z + N, $$

donde $N=A-Z$ es el número de neutrones.

En general un átomo se representa con la siguiente notación:

$$ ^{A}_{Z}\mathrm X^{\mathrm c \pm}, $$

donde $A$ es el número másico, $Z$ es el número atómico, $\mathrm{X}$ es el símbolo del elemento químico y $\mathrm c$ es la carga eléctrica del átomo (se omite en caso de ser cero —átomo neutro).

Modelos atómicos

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Modelo de Thomson

En 1897, Thomson descubre la existencia del electrón, la partícula elemental con carga eléctrica negativa.

Postula un modelo que se conoce como el modelo del pastel de pasas:

  • El átomo está formado por una nube esférica con carga positiva.
  • Los electrones, con carga negativa, se encuentran incrustados por toda la esfera, como las pasas en un pastel.
  • El número total de electrones es tal que la carga neta del átomo es cero (átomo neutro).
Modelo de Thomson, también conocido como modelo del *pastel de pasas*.
Modelo de Thomson, también conocido como modelo del pastel de pasas.

Modelo de Rutherford

Experimento de la lámina de oro

En 1911 Rutherford lleva a cabo un experimento histórico en el que descubre la existencia del núcleo atómico:

Resultados del experimento
  • La mayoría de las partículas atravesaban la lámina de oro sin desviarse.
  • Muy pocas (1/10 000 aproximadamente) se desviaban un ángulo mayor de unos 10°.
  • Algunas partículas (poquísimas) incluso rebotaban.
Interpretación del experimento
Conclusiones del experimento de Rutherford.
Conclusiones del experimento de Rutherford.
  • Si el modelo propuesto por Thomson fuera cierto no deberían observarse desviaciones ni rebotes de las partículas incidentes.
  • Para que las partículas se desvíen deben encontrar en su trayectoria una zona muy pequeña (núcleo) cargada positivamente donde se concentra la mayor parte de la masa del átomo.

Puedes entender mejor las conclusiones del experimento de Rutherford con esta simulación:

Características del modelo de Rutherford

  • El átomo está formado por un núcleo, muy pequeño comparado con el tamaño del átomo, con carga positiva y donde se concentra casi toda su masa.
  • Los electrones, con carga negativa, giran alrededor del núcleo como lo hacen los planetas alrededor del Sol.
Modelo de Rutherford, también conocido como modelo *planetario*.
Modelo de Rutherford, también conocido como modelo planetario.

Iones e isótopos

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Iones

Un ion es un átomo cargado eléctricamente.

Según su carga eléctrica sea positiva o negativa, distinguimos:

Catión
Átomo que ha perdido/cedido electrones, adquiriendo carga eléctrica positiva al tener menos electrones que protones.
Anión
Átomo que ha ganado/captado electrones, adquiriendo carga eléctrica negativa al tener más electrones que protones.

Isótopos

Concepto introducido en 1913 por el químico inglés Frederick Soddy, se trata de átomos del mismo elemento químico con distinto número de neutrones en su núcleo, y por tanto distinto número másico $A$.

Isótopos radiactivos

Los llamados isótopos radiactivos son aquellos isótopos que son inestables y tienden a desintegrarse espontáneamente, emitiendo radiación y/o materia, transformándose en isótopos estables de otros elementos químicos.

Aprende más sobre radiactividad aquí.

Masa atómica

La masa de los átomos es extremadamente pequeña comparada con las masas de los objetos cotidianos.

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Es por eso que utilizamos una unidad especial, llamada unidad de masa atómica, u, la cual se define como:

La unidad de masa atómica, u, se define como la doceava parte de la masa de un átomo de $^{12}\mathrm C$, y es igual a:

$$ 1\thinspace\mathrm u = 1.661\times 10^{-27}\thinspace\mathrm{kg} $$

De esta forma el isótopo $^{12}\mathrm C$ tiene una masa de 12 u.

La masa atómica que encontramos en las tablas periódicas es la media ponderada de las masas de los isótopos naturales de cada elemento, teniendo en cuenta su abundancia.

Constructor de átomos

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