ESTRUCTURA ATÓMICA

Átomo

El término átomo proviene del griego (átomon), unión de dos vocablos: α (a), que significa "sin", y  (tomon), que significa "división" ("indivisible", algo que no se puede dividir), y fue el nombre que se dice les dio Demócrito de Abdera, discípulo de Leucipo de Mileto, a las partículas que él concebía como las de menor tamaño posible.​ Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados.

El átomo que quiere decir "no divisible", realmente es divisible. Y aunque se pueda dividir y subdividir, las partículas fundamentales son únicamente tres: Protón, electrón, y neutrón.

El protón: de carga positiva y una masa de 1,672 × 10^–27 Kg o, en relación al electrón, unas 1836 veces la masa de un electrón. Se encuentra en el núcleo del átomo. 938,3 MeV/c2.

El neutrón: con carga neutra y una masa de 1,674 × 10^–27 Kg o, en relación al electrón, unas 1836 veces la masa de un electrón. Se encuentra en el núcleo del átomo. 939,2 MeV/c2
.

El electrón: con carga negativa y fuera del núcleo del átomo, el electrón posee una masa de 9,1×10⁻³¹ Kg.  0,5 MeV/c2.

Números Importantes

Son números que caracterizan a los átomos

Número Atómico

El número atómico (Z) es el número de protones que posee el núcleo del átomo de un elemento químico, se representa con la letra  “Z”.  Si el átomo es neutro también coincide con el número de electrones que tiene en la corteza.  Por ejemplo, el oxígeno tiene número atómico 8 (Z = 8) esto nos indica que tiene 8 protones en su núcleo y 8 electrones en la corteza. Si Z = 17 se busca en la tabla periódica a que elemento le corresponde: cloro (Cl)  tiene  17 protones y 17 electrones.

Número Másico

El número másico (A) es el número de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un elemento químico.  Existe una notación que permite representar el número atómico y másico de un elemento:   Conocidos los números atómico y másico de un elemento puede deducirse el número de neutrones que tendrá el núcleo de uno de sus átomos: neutrones = A – Z.

Por  ejemplo si A = 35   se busca en la tabla periódica  que corresponde al cloro  y su valor es aproximadamente igual a la masa atómica  relativa.

Representación:  

Isótopos

Se llaman isótopos a los átomos de un elemento (igual número atómico) que presentan diferente número de masa.  Así, el hidrógeno presenta tres isótopos.  El hidrógeno tiene un protòn en el núcleo, sin neutrones (número atómico 1, número másico 1). El Deuterio tiene un protón y un neutrón (número atómico 1, número másico 2). El tercer isótopo del hidrógeno se llama tritio, presenta un protón y dos neutrones (número atómico 1, número masico 3).  Todos los isótopos de un elemento presentan el mismo múmero atómico y diferen en el número de masa.

Si nos fijamos en el uranio, dos de sus isótopos más comunes son el uranio-268 y el uranio-238.  El uranio tiene número atómico 92, el uranio-235 tiene 92 protones y 43 neutrones en su núcleo.  El uranio-238 tiene 92 protones y 46 neutrones.

Los isótopos de un elemento presentan unas propiedes químicas similares al contener el mismo número de electrones (responsables del comportamiento químico del átomo).

Los neutrones se representa con la letra n y A = Z + n, el número de neutrones se calculara  de la siguiente expresión: n = A - Z ejemplo si el cloro tiene Z = 17 y A = 35, posee 17 protones y  17 electrones  porque el átomo es eléctricamente neutro y 18 neutrones porque     n = A - Z = 35 - 17 = 18 n

Isobaros

Se denominan isobaros, a los núcleos atómicos con el mismo número de masa (A), pero diferente número atómico (Z). Es decir son dos o más átomos que poseen la misma cantidad total de protones y neutrones, pero no igual cantidad de protones.

La palabra isobaro viene del griego y significa pesado, lo cual tiene bastante sentido, ya que el número másico compone el 99.9999% de masa del átomo.

Ejemplo:

Sumando los protones y neutrones (A) del calcio, obtenemos 40. Sumando de igual manera en el argón obtenemos también 40. Es decir su masa atómica (A) es igual. Sin embargo el calcio tiene una cantidad de 20 protones, y el argón 18 protones, entonces su número atómico difiere. A esto es lo que llamamos isobaros.

Modelos Atómicos

Modelo atómico: son las teorías o la hipótesis que los científicos postularon para explicar la estructura del átomo.

Modelo de THOMSON:

En 1898 postula su modelo:  EL ATOMO ERA UNA ESFERA  uniformemente  cargada de electricidad positiva,   en él  se encuentran los electrones,   se encontraban dispuestos  en  un número igual de cargas positivas y negativas (es eléctricamente neutro )    que forma  una masa sólida,  este modelo es similar al de un budín de pasas  donde los electrones están incrustados  así como las pasas en el budín.

 Modelo de Ernest Rutherford:

De acuerdo a las experiencias realizadas por este científico el propone el siguiente modelo: 

• El átomo está formado por un núcleo central, con carga eléctrica positiva rodeada por los electrones negativos.
• El núcleo es muy pequeño con relación al diámetro del átomo, pero contiene la mayor parte de la masa atómica, esto indica que el átomo tiene grandes espacios vacíos, sin partículas materiales.
• El número de electrones es lo suficiente para compensar la carga positiva del núcleo, de manera que el átomo en su conjunto es neutro.
• Los electrones tienen una masa de despreciable con relación a la masa total del átomo.

Este modelo se puede comparar con el sistema solar, el núcleo representa el sol y los electrones a los planetas.

El modelo de Rutherford presentaba un punto débil, en el átomo de hidrogeno tal como lo postula el modelo planetario del átomo, el electrón gira alrededor del núcleo  cargado positivamente y ese giro se mantiene  gracias  a la atracción  que existe entre las cargas. Si el electrón es una partícula acelerada que emite energía radiante   en forma permanente, en algún momento  la perdería  y terminaría cayendo  sobre el núcleo. Pero ya sabemos que eso no ocurre porque de ser así todos los átomos se hubieran desintegrado entonces había que buscar la explicación  por otro lado.

El físico alemán  Max Planck , había descubierto  que cualquier partícula (electrón,  átomo, etc.) que oscila  emite energía  en forma de radiación electromagnética , cuyo valor  solo puede ser múltiplo de una cantidad  discreta de energía  a la que llamo cuanto (del latín quantum: cantidad). Por lo tanto la energía emitida  por electrón  no podía ser continua, sin proponérselo, Planck había sentado las bases de la teoría cuántica.

El físico Niels Bohr  discípulo de Rutherford, propuso un nuevo modelo  atómico  en el cual en el cual mantenía la estructura planetaria  pero introducía  condiciones  sobre el comportamiento  del electrón  para adaptarlo  a los principios cuánticos  de emisión de energía de Planck. 

En 1913 Niels Bohr propuso un modelo  atómico que pudiera explicar los espectros discontinuos  de algunos elementos, basándose en la teoría cuántica. Esta teoría fue dada a conocer  por Max Planck en 1900, y  sostiene que la energía se transmite en forma discontinua, en unidades discretas  o paquetes llamados cuantos de energía.

Principales Postulados

• Los electrones no poseen cualquier cantidad de energía  sino valores determinados (cierto número de cuantos)
• Los electrones solo pueden girar alrededor del núcleo  positivo en determinadas orbitas  circulares  denominados  niveles o estados  de energía.
• Mientras los electrones se encuentran en dichos niveles no emiten energía, por lo cual se denomina  niveles o estados estacionarios.
• Cuando el electrón gira en la órbita más próxima al núcleo se encuentra en su estado más estable.
• Cuando un  electrón salta de un nivel a  otro inferior  pierde un cuanto de energía, emitiendo  radiación luminosa característica, por el contrario cuando salta a un nivel superior absorbe  un cuanto de energía  que recibe del exterior  (calor, luz electricidad)
• Los electrones  solo pueden variar de energía  pasando de un nivel a otro.
• Los niveles de energía se identifican con los números naturales  denominados números cuánticos  principales n
• La expresión de niveles de energía  son sinónimos  de orbitas , capas , las orbitas  o capas se identifican con las letras K,L, M,N,Ñ,O,P.
• El número de electrones  para cada nivel de anergia  no puede ser superior  a 2n² 
• -La diferencia de energía  entre los niveles va siendo cada vez menor  a medida que se aleja del núcleo.

En 1920 Rutherford  supuso  que en núcleo atómico  además de protones  existía otra partícula  sin carga eléctrica. Esto fue confirmado por J ames Chadwick en 1932 al comprobar la existencia  de una partícula nuclear  eléctricamente neutra y con una masa igual a la del protón  denominada neutrón.

Existen  números  importante que están relacionados con la estructura del  átomo.

Modelo atómico actual

A pesar del éxito del modelo de BOHR,    este sirvió para explicar los  espectro de emisión  del hidrogeno, pero no pudo explicar para otros átomos,  pero    estableció las bases del modelo atómico actual.

Por otro lado se descubrió que el electrón, como el fotón (cuanto) es una partícula dual que tiene comportamiento  de onda y materia.

Actualmente para explicar  el comportamiento  de los electrones  de los átomos, se utiliza  la mecánica ondulatoria, y esta se originó en una hipótesis  formulada  por Louis  de Broglie  en 1924 DE BROGLIE   que sugirió que así, como la luz presenta  un comportamiento  tanto corpuscular  como ondulatorio, cualquier partícula puede en circunstancias adecuadas  mostrar propiedades ondulatorias , luego Davisson y Germer  confirma en forma experimental lo dicho por Broglie.

¿Cómo influye el comportamiento  dual onda – partícula  del electrón  en la postulación de un modelo atómico?

Cuando Heisemberg  quiere determinar la posición del electrón  no lo puede hacer  debido a  que surge una incertidumbre en la velocidad y en la posición del electrón, denominada incertidumbre de Heisemberg, por lo tanto esto lo lleva a pensar que el electrón no está circunscripto  a una órbita.

Debido a esto fue necesario cambiar las ideas del modelo de Bohr, aunque no significa que haya fracasado, sin embargo al no poder justificar  los nuevos descubrimientos  surge un  nuevo modelo dado por el físico Erwin SCHRONDIGER en 1926, desarrolla una ecuación matemática que podía ser aplicada al electrón contemplando su dualidad.  Esta ecuación es denominada ecuación de onda  que requiere de conocimientos avanzados  de matemática para poder resolverlos, pero a partir de ella , es posible obtener  información para comprender el nuevo modelo del átomo  sostiene que los electrones no ocupan  una órbita  a  una distancia fija  sino que es probable  encontrarlo dentro de una región del espacio llamado orbital, existen distintos tipos de orbitales con diferentes forma y a cada uno  se lo identifica con una letra s, p, d, f , estas formas distintas  se obtienen al representar  gráficamente  la ecuación de onda, en este modelo , no podemos decir cómo se mueve un electrón , sino solamente  en qué región del átomo  es factible  que se encuentre, podemos imaginarnos  que si los electrones  fueran como aviones  que escriben con humo , ese dibujo estaría  formado por las huellas  del paso del electrón.  De la  ecuación de onda  surgen soluciones que se le denomino números cuánticos, que describen propiedades o características del electrón.

  Para comprender mejor  los números cuánticos hacemos una analogía  imaginamos al átomo   como un edificio, donde  podemos pensar  que lo primero  que se necesita  para localizar al electrón  es conocer en que piso se encuentra, este primer número se llama número cuántico principal  o "n"  que da la idea de la cantidad de energía que tiene el electrón. Una vez que sabemos  el piso, debemos localizarlo en un departamento , este segundo número  se llama número cuántico secundario o azimutal o "l" relacionado con un subnivel de energía  y la forma geométrica del orbital, en este edificio atómico existen diferentes posibilidades según de que capa  se trate. Estas variantes se corresponden  con la forma del orbital  donde se encuentren los electrones s, p, d, f.

Aquí se representa  las formas de los subniveles con globos

Siguiendo con nuestra analogía, a medida que aumenta el número  de piso, aumenta la cantidad de departamentos  por piso, así el nivel 3  tiene subniveles 0,1 y 2 que corresponde a orbitales s, p, d, pero siguiendo con el ejemplo, hace falta un tercer número,  llamado número cuántico magnético o "m", relacionado con el magnetismo del electrón  este sería como indicar el ambiente del  departamento  donde se encuentra el electrón. El cuarto número  no deriva de la ecuación de onda que sería el número cuántico de spin que indica el sentido de giro del electrón.

Números Cuánticos

Número cuántico principal: se representa con la letra "n", indica el nivel de energía donde se encuentra el electrón  y toma los valores n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7... 

  

Número cuántico secundario o azimutal: se representa con la letra "l", "l" depende de n, l = n - 1 y toma valores de: l = 0 a n -1, los valores de “l”  indica la forma del orbital o el subnivel de energía.

Número cuántico magnético: se representa con la letra "m",   indica la orientación del orbital en el espacio.

Número cuántico de spin: se representa con la letra "S" indica la rotación del electrón sobre su propio eje, los valores que toma son +1/2 y -1/2 en sentido horario o anti horario.

En 1925  el físico austriaco Wolfgang Pauli  enuncio  el principio de exclusión, según el cual   en un átomo no puede  haber dos electrones  cuyos números cuánticos  sean todos iguales.

-Estos números   están relacionados con la configuración electrónica, De acuerdo con esto se desarrollara el concepto de configuración electrónica. 

  

Configuración electrónica

Es la distribución de los electrones en niveles y en subniveles de energía   y se representa en forma abreviada  que consta de un número, una letra y  un superíndice numérico. Se le representara  un ejemplo  de hidrogeno, se le indicara que esta representación está en la tabla 

 Se representara otros ejemplos  y se indicara que estas representaciones están en la tabla periódica

En un cuadro se le exhibirá  la cantidad máxima de electrones que se puede encontrar en  cada nivel y subnivel de energía  en el siguiente cuadro.

Valor de n	l=0 (s)	l=1 (p)	l= 3 (d)	l=4 (f)
1	2
2	2	6
3	2	6	10
4	2	6	10	14

 Se utiliza el diagrama de las diagonales   para saber, cual es el orden de llenado de los niveles y subniveles.

Ejemplo  con nitrógeno

Se realizara la configuración electrónica 

1s², 2s² 2p³

La regla de Hund: según la cual expresa  que los electrones de un determinado subnivel de energía  no se aparean en un orbital,  hasta que todos los orbitales  del subnivel tengan  por lo menos un electrón cada uno.  De acuerdo con esta regla para el átomo de nitrógeno  representa así: 

1s ², 2s² 2px¹2py¹2pz¹

 😀