Introducción
Desde la antigüedad el hombre ha creado ideas y teorías filosóficas sobre el átomo, específicamente sobre la composición, estructura, naturaleza de sus partes y concepto; a tal grado que hoy en día existen estudios serios y profundos sobre tales temas, los que a continuación se abordan de forma breve.
a. Concepto de átomo.
La palabra átomo proviene del Latín atomus, y, básicamente, del griego átomos, así
a = sin; no; negativo
tomo = división; partir
por lo que átomo significa indivisible (sin dividir; que no se puede partir); aunque hoy en día se sabe que el átomo si se puede dividir en partículas más pequeñas (sub-partículas),
como el electrón, protón y neutrón.
En la época antigua (460 a.C.), el griego Leucipo fue el primer hombre en preguntar se de que está formada la materia, y desde entonces muchos lo han hecho y han presentado
sus respuestas al mundo; hoy sabemos que la materia si está formada por átomos, los cuales constituyen la unidad básica estructural de toda la materia. Sin embargo, recordemos que
existen materia pura (elementos químicos) y materia compuesta (aire, alcohol, agua, sales, etc.), y que el átomo representa a la primera clase de materia y la molécula a la segunda,
por lo que el concepto correcto de átomo es el siguiente:
Lo de representativa significa que, mientras un átomo permanezca entero o completo entonces posee las propiedades químicas y físicas de la sustancia pura que representa; sobre
lo de su tamaño pequeño, se dice que el átomo es tan extremadamente pequeño que en un milímetro de papel hay mil billones de átomos de Hidrogeno, Oxigeno y Carbono, unidos
en moléculas, los cuales pueden verse de forma borrosa con un microscopio superpotente.
b. Composición y estructura del átomo.
El átomo es un cuerpo esférico, rígido y activo; hasta hoy existen 118 clases diferentes, es decir, una clase de átomo por cada elemento químico. Pasaremos entonces a estudiar de que (composición) y como (estructura) está formado el átomo.
Composición atómica.
La materia está formada de átomos, y el átomo ¿de qué esta forma do o compuesto?. Pues bien, se dice que el átomo está formado o lo componen muchísimas partículas más pequeñas que él, llamadas partículas sub-atómicas, como el neutrino, fotón, neutrón, electrón, protón, quark, positrón, neutrinos, mesones, muones, antiprotones, etc.; sin embargo, se acepta mundialmente de que el átomo está formado principalmente por tres partículas sub-atómicas: electrón, protón y neutrón.
Sabemos que la materia contiene energía, una clase más que otra, y esa energía se localiza precisamente en las partículas anteriores, excepto el neutrón; el electrón es la partícula del átomo que transporta la energía eléctrica negativa (-), mientras que el protón transporta la energía eléctrica positiva (+), y el neutrón no posee carga eléctrica, por lo que es una partícula neutra.
Todas estas partículas están presentes en un átomo, menos en el átomo de Hidrogeno llamado protio, que no contiene neutrones; así mismo, todas ellas tienen masa, peso, volumen y un símbolo, así:
Características de las sub-partículas fundamentales del átomo.
Todos los átomos de un elemento químico tienen la misma cantidad de electrones y protones, por ejemplo, todos los átomos del Oxigeno tienen ocho protones y ocho electrones. Respecto al tamaño, la partícula más grande es el neutrón, luego menos grande el protón y por ultimo el electrón. En lo referente al peso, el neutrón es la partícula más pesada, mucho menos el protón y casi nada el electrón. En la práctica solo se toman en cuenta la masa del neutrón y la del protón, que juntas forman la masa atómica, despreciándose la del electrón, pues su masa pesa 1,836 veces menos que la masa del protón (como la tierra y el sol).
Estructura atómica
Conocemos ya que cualquier átomo (excepto el protio) está formado principalmente por tres partículas sub-atómicas: protones, electrones y neutrones. Ahora toca saber cómo estas partículas están distribuidas dentro del átomo, lo que es mejor conocido como estructura atómica.
La esfera atómica la podemos dividir en dos zonas o regiones: el núcleo (esfera interior) y la corteza (esfera exterior).
Regiones del átomo*
El núcleo. Es una porción esférica que se localiza en el interior del átomo, justamente en su centro, y que contiene los protones y neutrones; ocupa menos espacio (menor tamaño o volumen) que la corteza pero posee mayor peso o masa; la masa o peso de los protones, junto con la de los neutrones (núcleo), forman la mayor parte del peso del átomo, ya que la masa de los electrones (corteza) es insignificante (ver cuadro anterior). Hay quienes utilizan la palabra nucleones para referirse a los protones junto con los neutrones, por el hecho de que ambas partículas se localizan en el núcleo, donde están unidas o cohesionadas.
Otra característica del núcleo es que este es de carga positiva, por el hecho de que la carga positiva de los protones se impone ante la carga cero de los neutrones, o sea, dentro del núcleo existe una sola clase de carga eléctrica que es la positiva, que pertenece a los protones.
Los neutrones son de masa ligeramente superior a la de los protones, es decir, son más pesados; en general, la esfera del núcleo es mucho menor que la esfera de la corteza, esto es que, el tamaño del núcleo es demasiado pequeño en comparación con el tamaño total del átomo.
La corteza. Es la porción de materia de forma esférica y que se localiza fuera del núcleo, es decir, la corteza es la esfera externa del átomo que rodea al núcleo. Los electrones son los que forman la corteza del átomo; giran velozmente alrededor del núcleo; estos electrones se encuentran en grupos, que giran velozmente alrededor del núcleo, a manera de capas esféricas, unas encima de las otras (superpuestas) llamadas niveles de energía; además, se dice que la corteza tiene carga eléctrica negativa, púes allí solo habitan los electrones, que tienen carga negativa.
En resumen, todas las partículas que forman el átomo están distribuidas en dos partes llamadas núcleo y corteza; el núcleo se localiza en la parte central del átomo y contiene los protones y neutrones, y la corteza rodea al núcleo y está formada por los electrones. En un capitulo siguiente se explica detalladamente la ubicación del electrón en el átomo.
Composición y estructura del átomo.
(Átomo de Oxigeno)
Observaciones:
– Tenga presente que la figura del átomo es esférica (como una pelota) y no plana.
– La figura anterior corresponde a la del átomo de Oxigeno (isótopo 16), que contiene 8 electrones e igual cantidad de protones y neutrones.
– Los protones y neutrones no están libres o separados entre sí, sino que están unidos (cohesionados) y distribuidos dentro del núcleo.
c. Teorías y modelos atómicos.
Hoy en día conocemos mejor la composición, estructura y propiedades del átomo; sin embargo, los estudiosos de la época de Leucipo hasta la época de John Dalton solo tuvieron ideas acerca de estos temas, lo que duro más de 2,000 años. Desde el inglés John Dalton hasta estos tiempos, más de 200 años, surgen una serie de teorías acerca de estos temas del átomo, las que simplemente reciben el nombre de teorías atómicas; así mismo, a cada teoría se le agrego su propio modelo o figura del átomo, surgiendo entonces el tema de teorías y modelos atómicos.
Una teoría atómica trata de explicar, entre otros, los puntos siguientes:
Concepto y partes que forman al átomo (composición).
La manera de cómo estas partes están distribuidas dentro del átomo (estructura).
– El nombre y significado de estas partes.
Naturalezas y propiedades de tales partes, y del átomo en sí.
Combinaciones o uniones entre átomos.
Un modelo atómico no es más que el dibujo o esquema de lo que indica su respectiva teoría, así que cada teoría tiene su propio modelo del átomo, recibiendo ambos el nombre
de la persona que las propuso. A partir de 1803 se han propuesto diversas teorías y modelos atómicos, entre las cuales se destacan las siguientes:
Teoría y modelo atómico de Dalton (John Dalton).
Teoría y modelo atómico de Thomson (Joseph John Thomson).
Teoría y modelo atómico de Rutherford (Ernest Rutherford).
Teoría y modelo atómico de Bohr (Niels Bohr).
Teoría y modelo atómico de Bohr-Sommerfeld (Arnold Sommerfeld).
– Teoría y modelo atómico mecánico-quántico (varios científicos).
Teoría y modelo atómico de Dalton.
Fue propuesta por el profesor ingles de química John Dalton, durante el periodo de 1803-1808, la que aún es válida pero con ciertas modificaciones. Los 5 aspectos (postulados) que contiene su teoría son más o menos los siguientes:
Los elementos químicos están formados por átomos.
Estos átomos son indivisibles e indestructibles.
Los átomos no cambian al unirse o combinarse, es decir, cada átomo conserva sus pro piedades físicas y químicas a través de los cambios.
Los átomos de un mismo elemento químico son iguales en sus propiedades y peso.
Esta teoría aborda los puntos de composición de la materia (formada por átomos), de una propiedad química del átomo (uniones o enlaces químicos) y de una propiedad física (peso).
Para Dalton, el átomo no contiene partículas más pequeñas que él y por eso es indivisible y macizo. La teoría tiene algunos aspectos incorrectos hoy en día, tales como:
Los átomos si se pueden dividir en electrones, protones, etc.(aunque al hacerlo entonces el átomo deja de ser representativo del elemento químico de donde proviene).
Los átomos si cambian algunas de sus propiedades, púes cuando se unen o combinan ganan, pierden o comparten electrones, produciéndose así nuevas sustancias.
Muchos elementos químicos tienen en su interior átomos con igual cantidad de electrones y protones, pero con distinta cantidad de neutrones. A estos átomos diferentes que
pertenecen a un mismo elemento se les conoce como isótopos, por lo que los átomos de un elementos químico pueden ser distintos en algunas propiedades.
Según el modelo de Dalton, el átomo es la mínima cantidad de materia con forma esférica, solido por dentro, invisible y sin poder dividirse (que no estaba formado por otras partes
más pequeñas).
Definitivamente, la teoría de Dalton presenta algunos aspectos válidos, y la misma sirvió de base o punto de partida para posteriores teorías.
MODELO ATOMICO DE DALTON
Resumen sobre esta teoría:
– Antes de Dalton ya se tenían ideas sobre el átomo.
– Con Dalton, estas ideas atómicas pasaron a ser teoría.
– Lo correcto hasta aquí: "el átomo es la porción más pequeñísima de la materia, de forma esférica e invisible".
Teoría y modelo atómico de Thomson.
Esta segunda teoría fue propuesta por el físico ingles Joseph John Thomson, en el año de 1905, como cien años después que la de Dalton. Éste científico descubrió el electrón, demostrando así que el átomo si es divisible, o sea que:
Thomson corrigió lo expresado por Dalton, de que el átomo era indivisible.
Mejoro la teoría y modelo atómico del pasado.
Para Thomson, al igual que para Dalton, el átomo seguía siendo la parte más pequeña de la materia, con masa y peso, pero formado por dos partes: una sola masa grande y que contenía la carga eléctrica positiva (protón), y varias masas pequeñas incrustadas(metidas)en la masa grande llamadas electrones, que contenían la carga eléctrica negativa. Así, esta teoría deja entrever aspectos como:
* Composición de la materia (formada de átomos).
* El concepto de átomo (es la parte más pequeña de la materia).
* Composición del átomo (formado por electrones y protón).
* Estructura del átomo (como están distribuidas las 2 cargas eléctricas dentro del átomo).
* La naturaleza del electrón y la carga positiva (vienen del átomo y contienen electricidad).
* El átomo es eléctricamente neutro, pues la suma de sus cargas negativas (electrones) es neutralizada por la carga positiva (masa grande o protón).
Respecto al modelo de Thomson, puede apreciarse que este también era esférico, sólido y divisible en dos partes: una masa grande esférica y que ocupa la mayor parte del volumen o espacio del átomo (carga positiva), y otras masas menores también esféricas incrustadas en la masa grande (cargas negativas),ocupando el resto del espacio del átomo. A este modelo se le conoció con el sobrenombre (apodo) de "budín de pasas".
Modelo atómico de Thomson
Indudablemente que esta teoría corrigió y aumento nuestro conocimiento sobre el átomo, pues para Dalton el átomo era una sola masa, y para Thomson esta masa la forman dos clases de partículas, lo que indica que el átomo puede dividirse. Como observación, Thomson descubrió el protón (1906), pero un año más tarde de haber presentado su teoría (1905), por lo que debemos denominar protón a lo que el llamo "masa de carga positiva".
Resumen: Con Dalton se concluyó que el átomo es la porción más pequeñísima e invisible de la materia. Si a lo anterior le agregamos lo de Thomson, entonces lo correcto es que "el átomo es la porción más pequeñísima de la materia, y dividida en 2 partículas: protón y electrón".
Teoría y modelo atómico de Rutherford.
En 1909, el científico inglés Sir Ernest Rutherford concluyo que la masa con carga positiva, llamada protón por Thomson, no estaba dispersa por todo el átomo sino que estaba localizada en el centro del mismo, a lo cual llamo núcleo; así mismo, expreso que los electrones giraban circularmente alrededor de este núcleo (como los planetas alrededor del sol), en vez de estar incrustados en todo el átomo, como aseguro Thomson. Estos descubrimientos indujeron a Rutherford, en 1911, a proponer la tercera teoría atómica, que supero a las anteriores.
Hasta aquí ya estaban descubiertos el electrón y el protón; ahora debemos agregar al átomo el nuevo termino llamado núcleo, el que no es una subpartícula, sino el espacio ocupado por el protón, pero que viene a darnos una mejor idea sobre la estructura del átomo.
Básicamente, la teoría expone lo siguiente:
– Toda la carga positiva (protón) se localiza en la parte central del átomo, llamada núcleo.
– Los electrones (cargas negativas) giran en forma circular, alrededor del núcleo.
– La cantidad de carga positiva es diferente para cada elemento químico, pero en todo caso, dicha cantidad corresponde a la mitad de la masa total del átomo.
– La cantidad de carga positiva (protón) es igual a la de las cargas negativas (electrones), lo que hace que un átomo sea neutro (cargas opuestas se anulan entre sí).
– La masa del núcleo representa casi el 100% de la masa total del átomo (la masa de los electrones de un átomo es insignificante).
– Sucede lo contrario con el volumen o espacio: los electrones ocupan el 99.99% del espacio total del átomo, y el núcleo ocupa el resto.
La teoría nos explica que el electrón y el protón provienen (naturaleza) del átomo, y que ambas partículas están cargadas eléctricamente, la primera negativa y la segunda positiva; la masa o peso de los electrones es insignificante, en comparación con la gran masa del núcleo.
Cuando Rutherford asegura que la cantidad de carga positiva es igual a la de las cargas negativas (electrones), podemos pensar que al haber ocho electrones, por ejemplo, entonces deberían haber ocho protones en el núcleo, y esto haría que el átomo sea neutro (cargas contrarias u opuestas se anulan entre sí). Podemos pensar entonces que dentro del núcleo existen uno o más protones, dependiendo de la cantidad de electrones que tenga el átomo.
Rutherford y Thomson coinciden en que el átomo es eléctricamente neutro; sin embargo, esta teoría fue descartada porque no explica la manera en que los electrones giran alrededor del núcleo, es decir, en qué orden lo hacen o cual es el comportamiento del electrón durante ese giro. Esto último hace pensar que los electrones pudiesen chocar entre sí o contra el núcleo, sabiendo en la actualidad que el electrón tiene un orden en su giro, lo que se desconocía en ese tiempo.
El modelo atómico de Rutherford nos indica que el núcleo se localiza en la parte central del átomo, siendo su volumen muy reducido, y los electrones están ubicados a su alrededor,ocupando casi la totalidad del espacio del átomo. Éste modelo se conoce también con los sobrenombres de "átomo nuclear" y "sistema planetario".
Modelo atómico de Rutherford
Dos aspectos son válidos en la teoría de Rutherford: el haber descubierto un núcleo central en el átomo, donde residen los protones, y el haber indicado que los electrones giran alrededor de este núcleo, aunque no supo explicar la forma en que lo hacían.
Resumen: Para Thomson, el átomo es "la porción más pequeñísima de la materia, pero dividida en 2 partículas: protón y electrón". Si agregamos lo de Rutherford, entonces el átomo "es la parte más pequeña de la materia con un núcleo central y electrones girando alrededor de él". Esto se acerca a la verdad.
Teoría y modelo atómico de Bohr.
Niels Henrik David Bohr fue un físico de Dinamarca, alumno de Rutherford, que estudio también el átomo, específicamente el electrón, por lo que en 1913 propuso la cuarta teoría y modelo atómico. En forma resumida, sus conclusiones fueron las siguientes:
Coincidía con Rutherford en que, el átomo contiene un núcleo central formado por protones de carga positiva, bastante pequeño pero con la mayor parte de la masa del átomo.
Los electrones giran alrededor del núcleo en una forma circular, al igual que un sistema planetario.
Los espacios circulares donde giran los electrones son orbitas esféricas definidas, a las cuales llamo "capas de energía" y les asigno letras mayúsculas (K, L, M, N, O, etc.).
Un átomo puede tener varias capas de energía, unas dentro de otras, o sea concéntricas, y cada capa contiene un cierto número de electrones.
Los electrones pierden cada vez más energía, a medida que se van alejando del núcleo.
Los electrones pueden absorber y perder energía, si ascienden o descienden de un nivel a otro.
Básicamente, Bohr discutió la composición y estructura del átomo, pero más que todo el comportamiento del electrón. El confirmo lo de Rutherford, de que el átomo contiene un núcleo central formado por partículas llamadas protones; también concuerdan en que los electrones giran alrededor del núcleo en forma circular. Ahora bien, Rutherford no pudo explicar la manera en que los electrones giran alrededor del núcleo, lo que sí hizo Bohr, introduciendo el concepto de"capa de energía", que son los espacios o regiones donde se encuentran los electrones realizando su movimiento circular o elíptico alrededor del núcleo. Esto ultimo hizo que la teoría de Bohr fuera más completa que la de Rutherford, pero también fue descartada porque era aplicable solo para los átomos de Hidrogeno, Helio y Litio, y no los demás.
Entonces, hasta ahora tenemos un átomo formado por un núcleo, que contiene los protones , y por los electrones, que giran en capas de energía alrededor del núcleo. Con esto, Bohr hizo su siguiente modelo atómico:
Modelo atómico de Bohr
(Átomo de Litio)
La capa de energía cercana al núcleo es la primera, llamada K, luego hacia afuera sigue la segunda capa, llamada L, y así sucesivamente; una capa de energía u orbita se encuentra a una distancia definida de la otra, y a medida que los electrones se alejan del núcleo luego van perdiendo más energía. Lo novedoso aquí es que introduce el concepto de capa o nivel de energía, lo que es muy importante hoy en día, púes constituye "el numero quántico principal" en la estructura electrónica.
Resumen: Bohr está de acuerdo con Rutherford, en que el átomo es la parte más pequeña de la materia y que está formado por un núcleo central y por electrones satélites; pero agrega que tal núcleo es una masa de protones.
Teoría y modelo atómico de Bohr-Sommerfeld.
Arnold Sommerfeld estudio el modelo de Bohr y lo modifico en 1915, agregándole lo siguiente:
–El concepto de sub-nivel de energía. Un nivel o capa de energía (Bohr) está dividido en sub- niveles, que son las regiones o espacios alrededor del núcleo en donde se localizan realmente los electrones. El nivel es un conjunto de sub-niveles, excepto el primero que solo posee un sub-nivel (s).
–El movimiento de los electrones. Sommerfeld afirmo que los electrones se movían tanto en forma elíptica como circular alrededor del núcleo.
De esta manera, la figura del átomo va adquiriendo su forma actual, pues ahora el electrón tiene dos números quánticos: el número quántico principal o nivel de energía, y el número quántico orbital o subnivel de energía. Sin embargo, esta teoría y modelo atómico eran incompletos pues no explicaban otros aspectos importantes del electrón; así, varios personajes continuaron investigando sobre la manera en que el electrón estaba distribuido alrededor del núcleo, resultando así la teoría y modelo atómico actual o contemporáneo.
Así pues, el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld es sencillo pero incompleto, pues el átomo sigue formado por un núcleo positivo central (aún no hay neutrón) y por los electrones, que giran alrededor del núcleo, en forma circular y elíptica. El número de protones es igual al número de electrones.
Modelo atómico de Bohr-Sommerfeld
Teoría y modelo atómico mecánico-quántico.
Esta teoría fue propuesta en 1928, y es la que se utiliza en la actualidad; muchos hombres de ciencia contribuyeron a conformarla, directa o indirectamente, tales como Louis de Broglie, Dirac, Werner Heisenberg, Bohr, Erwin Schröedinger, etc.
Esta teoría nos indica en que espacio de la corteza del átomo podemos encontrar, con muchas probabilidades (90%), un electrón (estado del electrón); en otras palabras, es imposible predecir el punto exacto en donde podemos encontrar un tan solo electrón en un momento dado, pero si se puede calcular el espacio o región del átomo en donde se mueve un electrón, lo que constituye el fundamento de esta teoría. Para poder establecer tal espacio, denominado orbital atómico, es necesario conocer cuatro datos de él, los llamados números quánticos, que son como su cedula o tarjeta de identidad, los cuales son: n, l, ml y ms (en este orden).
n llamado numero quántico principal, y es el primer número quántico de un electrón.
También se le conoce como nivel de energía principal o, sencillamente, capa de energía, e indica el número del nivel en donde se encuentra un electrón, es decir, la distancia a la que se encuentra el electrón con respecto al núcleo. En realidad, el nivel indica la cantidad de energía que posee un electrón, esto es que, electrones con cantidades distintas de energía estarán localizados en niveles de energía diferentes.
Todos los electrones de un átomo están distribuidos primeramente en niveles de energía, los cuales están identificados con números (1,2,3,4,5,6 y 7) o letras ( K, L, M, N, O, P y Q); cada nivel de energía es una gran capa o región alrededor del núcleo, y en la tabla periódica estos niveles de energía están representados por las líneas horizontales llamadas periodos, las que también están identificadas con estos mismos nú meros (1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) y letras (K, L, M, N, O, P y Q). Para el caso, un átomo de Hidrogeno solo tienen un nivel de energía (periodo 1 en la tabla periódica) en el cual habita el único electrón que tiene este elemento químico; un átomo de Oxigeno tiene dos niveles de energía (periodo 2 en la tabla periódica) en los cuales están distribuidos sus ocho electrones, habiendo átomos (como el de Plutonio) que poseen hasta siete niveles de energía, en los cuales están distribuidos todos sus 94 electrones. Ahora bien, cada nivel tiene su propia capacidad de albergar electrones, es decir, cada nivel solo puede contener una cierta cantidad de electrones, y para poder calcular esta capacidad se emplea la formula 2n2 , en donde n representa el número del nivel.
El nivel 1 es el que está más cerca del núcleo del átomo, luego los demás niveles se van alejando sucesivamente, sucediendo lo mismo con la cantidad de energía de los electrones, pues los electrones que están ubicados en el nivel 2 tienen más energía que los del nivel 1, y los electrones del nivel 3 tienen más energía que los electrones que están ubicados en el nivel 2, y así sucesivamente; es decir, a medida que aumenta el valor de n entonces aumenta la energía del electrón, deduciéndose entonces que el electrón adquiere más energía en la medida que se aleja del núcleo.
Cuando se expresa que n = 1 se da a entender que ese electrón se encuentra ubicado en el nivel de energía 1, si nos indican que n = 2 entonces el electrón de que se habla está ubicado en el nivel de energía 2 del átomo; los electrones del nivel de energía l son los que están más cerca del núcleo, y los del nivel 7 son los que están más lejos de el núcleo en cualquier átomo. En conclusión, los electrones se alejan del núcleo en la medida que aumenta el valor de n.
l llamado número quántico subsidiario o azimutal, y es el segundo numero quántico de un electrón.
Se le conoce también como subnivel, e indica el número del subnivel dentro del nivel principal, en otras palabras, este número indica la ubicación del electrón dentro del nivel. Cada nivel de energía está dividido en sub-niveles, y al igual que los niveles, los subniveles están identificados con las letras s, p, d, f, etc.
El nivel 1 solo posee un subnivel(s); el nivel 2 está dividido en dos subniveles(s, p); el tercero tiene 3 subniveles (s, p, d), y así sucesivamente. El primer subnivel(s) solo puede albergar dos electrones; el segundo subnivel (p) puede contener hasta 6 electrones; el tercero (d) puede tener hasta 10 y el cuarto ((f) hasta 14 electrones.
Si un nivel tiene los subniveles s, p, d entonces el o los electrones que estén ubicados en el subnivel s tendrán la menor energía, y los que estén ubicados en el subnivel d presentaran la mayor energía, dentro de ese mismo nivel. Otro ejemplo, si un nivel presenta los cuatro subniveles s, p, d, f entonces el o los electrones del subnivel p tendrán mayor energía que los del subnivel s, y el o los electrones del subnivel d tendrán mayor energía que los del subnivel p.
Acerca de los subniveles, se dice que cada uno de ellos está formado por una o más regiones tridimensionales más pequeñas llamadas orbitales, que están alrededor del átomo y en donde se mueven o habitan realmente los electrones; cada tipo de orbital tiene su propia forma y su propia orientación o dirección dentro del espacio atómico.
Así, los niveles contienen a los sub-niveles, y estos a los orbitales, los que pueden tener varias formas, según sea el subnivel del que se trate; por ejemplo, el subnivel s tiene un solo
orbital(s), cuya forma es esférica (cubriendo el núcleo) y el subnivel p tiene tres orbitales (px,
py, pz), con formas de un 8 vertical (parado) y horizontal (acostado).
m llamado numero quántico magnético u orbital, y es el tercer numero quántico del electrón.
Indica el número y la orientación de los orbitales en la corteza del átomo; con respecto al número de orbitales, se indicó anteriormente que un subnivel puede estar formado por uno o más orbitales, los que adoptan formas distintas. Ahora bien, los orbitales de un mismo nivel tienen una orientación o dirección distinta dentro de la corteza atómica, siempre alrededor del núcleo, sin que ninguno de ellos choque con los demás; esta ubicación está determinada por tres ejes imaginarios (x,y,z) que parten del centro del núcleo y que forman un volumen atómico (corteza del átomo), dentro del cual se localizan tales orbitales, en forma ordenada.
Por esta razón, cada orbital (no el electrón) esta identificado por dos letras, correspondiendo la primera al subnivel, que da la forma al orbital, y la segunda al eje, que le da la orientación espacial dentro de la corteza atómica.
s llamado numero quántico spin, indica el sentido del giro del electrón sobre su propio eje (movimiento de rotación), dentro del orbital.
Los tres números quánticos anteriores dependen unos de los otros, pero el spin solo depende del electrón, es decir, es un número o característica propia del electrón; en un orbital pueden habitar solo dos electrones a lo máximo, y ambos deben de tener un giro o spin contrario, esto es que, si uno de los electrones gira sobre su propio eje en sentido de las manecillas del reloj, luego el segundo electrón de un orbital deberá de tener su giro en sentido contrario al primer electrón. Si ambos electrones giraran en el mismo sentido (spines similares), entonces se repelerían entre sí, pero si ambos electrones tienen distinto sentido de giro, luego se producirá algo de atracción entre ellos, que es el punto que los mantiene unidos dentro de un orbital. Un orbital atómico es un espacio o región alrededor del núcleo del átomo, con forma y dirección definida, en donde existe bastante probabilidad (90%) de poder encontrar un electrón.
Los anteriores números indican que todos los electrones de un átomo están distribuidos primeramente en niveles, luego en subniveles y finalmente en orbitales, en donde cada par de electrones giran sobre sus propios ejes en sentido contrario (spin). De esta manera, cada electrón tiene sus propios cuatro números quánticos ((principio de exclusión de Pauli), es decir, no existen siquiera dos electrones que tengan los mismos números quánticos en un mismo átomo; conociendo los primeros tres números quánticos de un electrón, y operando la ecuación de Schrodinger, podremos entonces calcular una región dentro del átomo en el que tiene lugar el movimiento de este electrón.
Los primeros tres números quánticos le sirven al electrón a manera de coordenadas, o direcciones, para trazar su movimiento alrededor del núcleo (movimiento de traslación); el cuarto número cuántico indica el sentido en que se mueve el electrón alrededor de su propio eje (movimiento de rotación). Así, estos cuatro números quánticos nos ayudan a describir toda una región alrededor del núcleo, denominado orbital, en donde podemos encontrar un electrón en particular.
Resulta bastante difícil hacer un bosquejo o modelo tanto del átomo de Bohr-Sommerfeld como del mecánico-cuántico, por lo que en adelante se utilizara el modelo de Bohr para la enseñanza del átomo.
Resumen: Sumando todos los aportes valederos de las distintas teorías atómicas, tenemos entonces que el átomo es " la parte mas pequeña de un elemento químico, formado por un núcleo central, que contiene los protones y neutrones, y por los electrones, que giran alrededor del núcleo y de sí mismo, en regiones o espacios denominados orbitales.
El Electrón
Se apuntó anteriormente que el átomo está formado por muchas partículas sub- atómicas (neutrino, fotón, neutrón, electrón, protón, quarks, etc.), siendo las más importantes el protón, el neutrón y el electrón. De estas tres, el electrón es la partícula más importante desde el punto de vista de las reacciones y enlaces químicos, es decir, en la formación de nuevas
sustancias. Por esto último ampliaremos a continuación el estudio del electrón.
a. Concepto e importancia.
La palabra sub-atómica significa que el electrón, al igual que el neutrón, protón, etc., pertenece al átomo, y por lo tanto su tamaño es menor que la de este.
Para que se formen las sustancias químicas es necesario que los átomos de igual o distinta clase se unan entre sí, lo cual se logra por medio de los electrones que están en la última capa o nivel de energía de cada átomo. Esto lo veremos en el tema de los Enlaces Químicos.
b. Ubicación y características.
Los electrones están ubicados o localizados alrededor del núcleo atómico, formando una región esférica llamada corteza o nube electrónica; esta región es mucho más grande que la del núcleo, pero de menor peso, dado que el peso o masa de un electrón es miles de veces menor que la masa de un protón o neutrón. Debemos de recordar que los electrones están distribuidos en el átomo en niveles, subniveles y orbitales.
Entre algunas características del electrón están las siguientes:
– Símbolo. Al electrón se le reconoce por su símbolo e
– Carga eléctrica. El electrón posee energía, la cual es de carga negativa (-).
– Tamaño. Es la partícula más pequeña del átomo, pero todos los electrones en conjunto forman un volumen (espacio ocupado) mayor que la del núcleo.
– Masa o peso. También es la partícula de menor peso en el átomo. Su peso es 1, 837 veces menor que el peso del protón o del neutrón.
– Numero. La cantidad de electrones en un átomo será igual a la cantidad de protones que contenga dicho átomo. Esto es, si el átomo de Oxigeno tiene ocho protones, entonces dicho
átomo también contiene ocho electrones, y de igual manera sucede con los demás átomos.
Distribución de los electrones en niveles de energía
(átomo de Magnesio con 12 electrones)
c. Cuadro resumen del electrón.
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