Estructura atómica

Introducción

Atomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra "átomo" se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse. Esa "partícula fundamental", por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego "no divisible". El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.

Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII, los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

Los griegos creían que el átomo era la partícula indivisible de la materia, por eso átomo significa indivisible.

En el siglo XVIII Antoine Laurent de Lavoisier revolucionó la concepción de la química con la ley de la conservación de la masa.

Más tarde John Dalton y Joseph Louis Proust introdujeron la idea de la materia como la unión de miles de partículas indivisibles.

La teoría de Bohr incluso perfeccionada por Arnold Sommerfeld, solo podía aplicarse al átomo de hidrógeno y a iones con un solo electrón. Para intentar explicar los aspectos de los demás átomos se modifica la teoría de Bohr imaginando un modelo adecuado de órbitas y electrones que se mueven en ellas, el cual se conoce como modelo vectorial del átomo.

Ley de la conservación de la materia

La masa de un sistema permanece invariable sea cual sea la transformación que sufra dentro de él; esto es, en términos químicos, la masa de los cuerpos reaccionantes es igual a la masa de los productos resultantes de la reacción. Esta ley se considera enunciada por Lavoisier, pues si bien era utilizada en las teorías de trabajo por químicos anteriores a él, se debe a Lavoisier su confirmación y generalización.

Un ensayo riguroso de esta ley fue elaborado por Lev Davídovich Landau (fundador de las tablas químico - físicas constantes de Landau - Brönsted) entre 1.893 y 1.909. No encontrándose diferencia alguna entre el sistema antes y después de verificarse la reacción.

La ley de la conservación de la materia no es absolutamente exacta. En la física actual la materia y la energía son la misma esencia, pues no sólo la energía tiene un peso y, por lo tanto, una masa, si no que la materia es una forma de energía que puede transformarse en otra forma distinta de energía.

Esta ley dice que la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Cogemos 1,5 gramos de AgNO₃ y lo disolvemos el agua, lo ponemos en contacto con cobre y se crea Ag, que pesa 0,88. Luego esta a esta plata se le añade HNO₃ y se vuelve a crear AgNO₃ que ahora debería pesar 1,5 g, pero al haber perdido un poco en los pasos anteriores, por ejemplo impregnada en la barilla oxidación que se haya caído del vaso, pesa 1,46 g. Ahora este AgNO₃ se mezcla con 1 g NaCl y se forma un sólido, se filtra y la disolución se deja evaporar, se pesan las dos sustancias y al sumarlas tiene que dar 2,5 g, uno de NaCl y 1,5 de AgNO₃ pero al haber perdido otra vez sólo pesa 2,44 g. Si la práctica se hubiera realizado perfectamente pesaría mas, porque en los primeros pasos se ha arrastrado un poco de cobre.

2·AgNO₃ + Cu ⟶ 2·Ag + CuNO₃

Ag + HNO₃ ⟶ HNO₂ + AgNO₃

AgNO₃ + NaCl ⟶ AgCl + NaNO₃

Ley de las proporciones definidas

Dos substancias que reaccionan para dar una tercera se combinan en una reacción constante.

También llamada ley de la composición constante, establecida por Proust en 1.801, según la cual cuando dos o más elementos se combinan pare formar un determinado compuesto, lo hacen en una reacción de peso invariable.

A + B ⟶ C - 2·A = C - B = C

Joseph Louis Proust: Nacido en 1.754 y muerto en 1.826, químico francés, conocido por haber formulado la ley química de las proporciones definidas, llamada algunas veces ley de Proust. Nació en Angers y se estableció en París. En 1.789 se trasladó a España, donde ejerció la enseñanza y dirigió un laboratorio bajo la protección de Carlos IV. Regresó a Francia en 1.808 y vivió retirado el resto de su vida. Su ley de las proporciones definidas establece que los elementos de un compuesto están todos presentes en una proporción fija en masa, independientemente de cómo se prepare el compuesto. Proust incluyó la ley en un ensayo que publicó en 1.794. Sin embargo, esta ley no fue aceptada totalmente hasta que el químico sueco Jöns Jacob Berzelius le dio crédito en 1.811. Proust también descubrió el azúcar de uva, lo que hoy se denomina glucosa. En 1.816 fue elegido miembro de la Academia Francesa de Ciencias.

La ley de las proporciones definidas, puede servirnos como ejemplo de la aplicación del método científico. Observamos, por ejemplo, que en contacto con el aire el hierro se corroe y otros metales, como e cinc y el aluminio se transforman a su vez en substancias distintas. Estos hechos nos permiten elaborar esta conclusión general: "bajo la acción del aire los metales se corroen".

La siguiente etapa consiste en estudiar la naturaleza de los productos de la reacción de corrosión. Si se deja transformas por completo un peso conocido de hierro, hayamos que el producto tiene una masa mayor que el hierro primitivo. Lo mismo ocurre con el cinc oxidación el aluminio corroídos, oxidación sea, algo se ha agregado al metal para corroerlo.

La ley de las proporciones definidas no fue inmediatamente aceptada por Claude Louis, Conde de Berthollet (colaborador de Lavoisier en la nueva nomenclatura química), el cual, al establecer que algunas reacciones químicas son limitadas, defendía la idea de que la composición de los compuestos era variable. Después de numerosos experimentos pudo reconocerse en 1.807 la exactitud de la ley de Proust. No obstante, ciertos compuestos sólidos muestran una pequeña variación en su composición por lo que reciben el nombre de << berthóllidos > >. Los compuestos de composición fija y definida reciben el nombre de << daltónicos > > en honor a John Dalton.

Ley de las proporciones múltiples

La ley de Proust no impide que dos o más elementos se unan en distintas proporciones para formar de acuerdo con dicha ley distintos compuestos. Así por ejemplo el oxígeno y el cobre se unen en dos proporciones distintas formando dos óxidos de cobre que contienen 79,90 % y 88,83 % de cobre. Si calculamos la cantidad de cobre combinado con un mismo peso de oxígeno, se obtiene en cada caso:

Las dos proporciones son, aproximadamente, una el doble de la otra y, por tanto, los pesos de cobre que se unen con un mismo peso de oxígeno para formar el óxido están en la relación de I es igual a II.

En la investigación de otros casos en los que dos elementos se unen en varias proporciones se obtienen resultados análogos, por lo que puede enunciarse la siguiente generalización: "Las cantidades de un mismo elemento que se unen con una cantidad fijada de otro elemento para formar en cada caso un compuesto distinto están en la relación de números enteros sencillos.

Este enunciado constituye la ley de las proporciones múltiples formulada por John Dalton (Fundador de la teoría atómica), en 1.803 como resultado su teoría atómica y establecida definitivamente para un gran número de compuestos por Berzelius.

Teoría atómica de Dalton

A través de todas la teorías anteriores John Dalton dedujo su teoría atómica.

John Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a John Dalton como una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Dalton mostró que los átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H₂O.

Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un punto de vista estrictamente químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar númerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.

John Dalton (1.766 - 1.844), químico y físico británico, que desarrolló la teoría atómica en la que se basa la ciencia física moderna. Nació el 6 de septiembre de 1.766, en Eaglesfield, Cumberland (hoy Cumbria), hijo de un tejedor. Fue educado por su padre en una escuela cuáquera en su ciudad natal, en donde comenzó a enseñar a la edad de 12 años. En 1.781 se trasladó a Kendal, donde dirigió una escuela con su primo y su hermano mayor. Se fue a Manchester en 1.793 y allí pasó el resto de su vida como profesor, primero en el New College y más tarde como tutor privado. Murió el 27 de julio de 1.844 en Manchester.

Dalton comenzó una serie de observaciones meteorológicas en 1.787 que continuó durante 57 años, acumulando unas 200.000 observaciones y medidas sobre el clima en el área de Manchester. El interés de Dalton por la meteorología le llevó a estudiar un gran número de fenómenos así como los instrumentos necesarios para medirlos. Fue el primero en probar la teoría de que la lluvia se produce por una disminución de la temperatura, y no por un cambio de presión atmosférica.

Sin embargo, a la primera obra de Dalton, Observaciones y ensayos meteorológicos (1.793), se le prestó muy poca atención. En el año siguiente presentó un ensayo sobre el daltonismo, un defecto que él mismo padecía, en la Sociedad Filosófica y Literaria de Manchester. El ensayo fue la primera descripción de este fenómeno, denominado así por el propio Dalton.

Su contribución más importante a la ciencia fue su teoría de que la materia está compuesta de átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos. Esta teoría, que Dalton formuló primeramente en 1.803, es la piedra angular de la ciencia física moderna. En 1.808 se publicó su obra Nuevo sistema de filosofía química. En este libro listaba las masas atómicas de varios elementos conocidos en relación con la masa del hidrógeno. Sus masas no eran totalmente precisas pero constituyen la base de la clasificación periódica moderna de los elementos. Dalton llegó a su teoría atómica a través del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases. En el curso de la investigación descubrió la ley de las presiones parciales de los gases mezclados (conocida como la ley de Dalton), según la cual, la presión ejercida por una mezcla de gases es igual a la suma de la presiones parciales que ejercería cada uno de los gases si él solo ocupara el volumen total de la mezcla.

En 1.804 y 1.809 fue invitado a impartir unos cursos a la Institución Real de Londres. Fue admitido como miembro de la Sociedad Real en 1.822 y se le concedió la medalla de oro de la Sociedad en 1.826. En 1.830 Dalton se convirtió en uno de los ocho socios extranjeros de la Academia de Ciencias Francesa.

Las leyes ponderadas de las combinaciones químicas encontraron una explicación satisfactoria en la teoría formulada por Dalton en 1.803 y publicada en 1.808.

La teoría atómica de Dalton consta de tres postulados:

1) Los elementos están constituidos por átomos consistentes en partículas materiales divididas e indestructibles

2) Los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa y son iguales en todas las demás cualidades

3) Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos en una relación numérica sencilla. Los átomos de un determinado compuesto son a su vez idénticos en masa y en todas sus propiedades

Las suposiciones de Dalton permiten explicar fácilmente las leyes ponderables de las composiciones químicas ya que la composición en peso de un determinado compuesto viene determinada por el número y peso de los átomos elementales que integran el átomo del compuesto.

La teoría atómica constituyó sólo una hipótesis de trabajo, muy fecunda en el desarrollo posterior de la química. Pues no fue hasta finales del siglo XIX, cuando entonces fue aceptada al conocerse pruebas físicamente concluyentes de la existencia real de átomos, que eran entidades complejas formadas a partir de partículas más sencillas, y que los átomos de un mismo elemento tenían en muchísimos caso masa distinta. Estas modificaciones sorprendentes de la ideas de Dalton a cerca de la naturaleza de los átomos invalidan, en el campo de la química los resultados brillantes de la teoría atómica.

Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).