Qué es el átomo y sus partes – Cómo está formado

Un átomo es la parte más pequeña que forma parte de un sistema químico. Es la mínima cantidad de un elemento químico que presenta las mismas propiedades del elemento. Aunque la palabra átomo deriva del griego átomos, que significa ‘indivisible’, los átomos están formados por partículas aún más pequeñas, las partículas subatómicas.

En general, los átomos están compuestos por tres tipos de partículas subatómicas. La relación entre estas son las que confieren a un átomo sus características:

  • Electrones, tienen carga negativa y son las más ligeras.
  • Protones, tienen carga positiva y son unas 1.836 veces más pesados que los electrones.
  • Neutrones, no tienen carga eléctrica y pesan aproximadamente lo mismo que los protones.

qué es el átomo

A los protones y neutrones, se les llama nucleones , ya que se encuentran agrupados en el centro del átomo, formando el núcleo atómico , que es la parte más pesada del átomo. Orbitando alrededor de este núcleo, se encuentran los electrones .

Esta descripción de los electrones orbitando alrededor de un núcleo corresponde al sencillo modelo de Bohr . Según la mecánica cuántica , cada partícula tiene una función de onda que ocupa todo el espacio y los electrones no se encuentran localizados en órbitas, aunque la probabilidad de presencia sea más alta a una cierta distancia del núcleo.

Propiedades del átomo

Los átomos son las unidades básicas de la química , y se conservan durante las reacciones químicas, en las que los átomos se reorganizan, cambiando los enlaces entre sí, pero no se crean ni se destruyen.

Los átomos se agrupan formando moléculas y otros tipos de materiales. Cada tipo de molécula es la combinación de un cierto número de átomos dispuestos de una manera concreta. Por ejemplo, la molécula de agua (H 2 O) contiene dos átomos de hidrógeno enlazados a uno de oxígeno , y la molécula de metano (CH 4 ) contiene siempre cuatro átomos de hidrógeno unidos a un átomo de carbono .

propiedades del atomo

En la tabla periódica:

Número atómico, se representa con la letra Z, indica la cantidad de protones que presenta un átomo, que es igual a la de electrones. Todos los átomos con un mismo número de protones pertenecen al mismo elemento y tienen las mismas propiedades químicas.

Por ejemplo, todos los átomos con un protón serán de hidrógeno (Z = 1), todos los átomos con dos protones serán de helio (Z = 2), y así sucesivamente.

Número másico, se representa con la letra A, y hace referencia a la suma de protones y neutrones que contiene el elemento . Dos átomos con el mismo número de protones , pero diferente número de neutrones , diremos que son isótopos.

Los isótopos de un mismo elemento tienen unas propiedades químicas y físicas muy similares entre sí. Por ejemplo, el proti es el isótopo más abundante del hidrógeno con un solo protón (Z = 1, A = 1) y el deuterio es el isótopo del hidrógeno con un protón y un neutrón (Z = 1, A = 2).

Los átomos neutros tienen el mismo número de protones que de electrones . Así, el hidrógeno (H) tiene un protón y un electrón , y el oxígeno (O) tiene ocho protones y ocho electrones . Cuando arrancamos uno o más electrones de un átomo se forma un ion positivo, o catión ; por ejemplo, al arrancar un electrón del hidrógeno se forma H +.

Cuando se da el proceso inverso, y un átomo adquiere electrones , se forma un ion negativo o anión; por ejemplo, cuando un átomo de oxígeno captura dos electrones se forma el anión O 2-

Historia

El concepto de átomo ya fue propuesto por filósofos griegos como Demócrito y Leucipo y los epicúreos . Demócrito, discípulo de Leucipo, acuñó el término ἄτομος ( atomos ) hacia el año 450 aC con el significado de ‘indivisible’, pero estos conceptos de átomo no eran más que ideas abstractas, razonamientos filosóficos sin ningún tipo de apoyo experimental o empírico.

Sin embargo, este concepto filosófico sería olvidado durante muchos siglos.

El 1661 , Robert Boyle publicó The Sceptical Chymist , en el que defendía que la materia era compuesta por diferentes partículas de diferentes tipos y tamaños, en vez de los tradicionales elementos clásicos de aire, tierra, fuego y agua.

Boyle avanzar en la diferenciación entre compuesto y mezcla , y en el análisis de sus componentes, pero no fue más allá de la conjetura en lo que respecta a las partículas. El 1789 , Antoine Lavoisier definió el término elemento como la sustancia básica que no puede ser dividida con los métodos de la química.

El 1803 , John Dalton utilizó el concepto de átomo para explicar porque los elementos siempre reaccionan en una proporción entera, la ley de las proporciones múltiples o de Dalton, y porque unos gases se disolvían en agua mejor que otros.

Dalton propuso la idea de que los elementos eran formados por átomos de un mismo tipo y estos átomos podían unirse para formar compuestos químicos. La teoría atómica de Dalton fue la primera desde las teorías filosóficas de la antigüedad.

El 1827 , cuando el botánico Robert Brown descubrió con la ayuda del microscopio el movimiento irregular y aleatorio que siguen las partículas inmersas en un fluido, este movimiento browniano no sería explicado matemáticamente hasta el 1905 por Albert Einstein basándose en la teoría atómica.

Basándose en el trabajo de Einstein, el físico francés Jean Perrin calculó de manera experimental la masa y las dimensiones de los átomos.

El 1879 , el físico inglés Joseph John Thomson descubrió el electrón y su naturaleza subatómica mientras trabajaba con los rayos catódicos , rompiendo con la idea de la indivisibilidad del átomo.

Thomson pensaba que los electrones eran distribuidos de manera aleatoria dentro de la materia del átomo que era cargada positivamente, por lo que su carga negativa compensaba la carga positiva. Era el modelo atómico de Thomson , que fue propuesto el 1904 , antes del descubrimiento del núcleo atómico .

El 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden trabajaban bajo la dirección de Ernest Rutherford bombardeando láminas de metal con partículas alfa y beta ; al bombardear una lámina de oro , observaron que un pequeño porcentaje era desviado con ángulos mucho mayores de los predichos utilizando el modelo atómico propuesto por Thomson.

Rutherford interpretó que el experimento de la lámina de oro sugería que la carga positiva del átomo y la mayor parte de su masa era concentrada en un núcleo en el centro del átomo, con los electrones orbitando a su alrededor. Este sería el modelo atómico de Rutherford , que fue propuesto el 1911 .

El 1.913 , trabajando sobre la desintegración radiactiva , el químico inglés Frederick Soddy se dio cuenta de que parecía que había más de un tipo de átomo para cada posición de la tabla periódica . Margaret Todd le sugirió el nombre de ‘ isótopo para los diferentes tipos de átomo que son del mismo elemento.

Thomson creó una técnica para separar los diferentes isótopos mientras trabajaba con gases ionizados , que llevaría al descubrimiento de los isótopos estables.

También en 1913, el físico danés Niels Bohr revisó el modelo atómico de Rutherford, sugiriendo que los electrones eran confinados dentro de unas órbitas claramente definidas, cuantizadas, entre las que podían saltar, pero no podían ocupar situaciones intermedias.

En el modelo atómico de Bohr , un electrón puede absorber o emitir una cantidad específica de energía para moverse entre órbitas fijas. Cuando la luz procedente de un material calentado pasa a través de un prisma, produce un espectro de colores, la aparición de líneas espectrales fijas fue explicada por las transiciones orbitales de los electrones.

El enlace químico entre los átomos fue explicado el 1916 por Gilbert N. Lewis como las interacciones entre los electrones que formaban parte.

Como las propiedades químicas de los elementos se repiten según la ley periódica descubierta por Mendeleiev , el 1919 el químico estadounidense Irving Langmuir sugirió que esto se podía explicar si los electrones de los átomos eran agrupados de alguna manera. Se pensó que grupos de electrones ocuparían un conjunto de diferentes capas alrededor del núcleo atómico.

El 1922 , el experimento de Stern-Gerlach aportó nuevas evidencias de la naturaleza cuántica del átomo. Cuando un enjambre de átomos de plata pasa a través de un campo magnético no uniforme de dirección vertical, el enjambre se divide en dos.

Lo que se esperaría según el modelo clásico sería que los electrones no fueran afectados por el campo magnético, describiendo una trayectoria rectilínea, pero fueron separados en dos partes en función de la orientación del espín . En el caso de la plata, el espín es 1/2 y no puede tomar más que dos valores diferenciados +1/2 y -1/2, de ahí la separación en dos partes.

El 1926 , Erwin Schrödinger , basándose en la propuesta de Louis-Victor de Broglie de asociar las partículas en ondas , desarrolló un modelo matemático del átomo que describía los electrones como ondas tridimensionales en lugar de partículas puntuales.

Una consecuencia de utilizar formas de onda para describir los electrones como ondas es que es matemáticamente imposible de obtener valores exactos para la posición y el momento a la vez; esto fue conocido como principio de incertidumbre y fue formulado en 1926 por Werner Heisenberg.

Según este concepto, para cada medida de la posición sólo se puede obtener un intervalo de posibles valores de la cantidad de movimiento, ya la inversa. A pesar de que este modelo es difícil de visualizar, pudo explicar observaciones del comportamiento del átomo que los modelos precedentes no habían podido hacer, como algunas cuestiones estructurales o ciertas líneas espectrales de átomos más grandes que el de hidrógeno.

Por tanto, el modelo planetario del átomo fue descartado en favor de otro que describía zonas orbitales alrededor del núcleo, donde era más probable de encontrar un electrón dado.

El desarrollo del espectrómetro de masa permitió la medida exacta de la masa de los átomos. Este aparato utiliza un imán para desviar la trayectoria de un haz de iones; la magnitud de la deflexión vendrá determinada por la relación entre la masa del átomo y su carga.

El químico Francis William Aston utilizó el espectrómetro para demostrar que los isótopos tienen diferentes masas; la masa atómica de los isótopos varía en cantidades de números enteros.

La explicación a estas diferencias de masa tuvo que esperar hasta que en 1932 el físico James Chadwick descubrió el neutrón , una partícula neutra con una masa similar a la del protón. Entonces, los isótopos se contaron como elementos con un núcleo con el mismo número de protones, pero con un número diferente de neutrones.

El 1.938, el físico alemán Otto Hahn , un estudiante de Rutherford, dirigió neutrones contra átomos de uranio esperando obtener elemento transuránicos , pero en vez de eso se produjo bario.

Un año después, Lise Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch verificaron que los resultados obtenidos por Hahn eran el primer experimento de fisión nuclear. Hahn recibió el Premio Nobel de Química, mientras que los méritos de Meitner y Frisch no fueron reconocidos , lo que ha sido motivo de polémica.

Origen y estado actual

Los átomos forman aproximadamente un 4% de la densidad de energía total del universo observable, con una densidad media de aproximadamente 0,25 átomos / m 3.

En una galaxia como la Vía Láctea , los átomos tienen una concentración muy superior; la densidad de materia del medio interestelar (MIE) varía entre 10 5 y 10 9 átomos / m 3. Se cree que el Sol se encuentra dentro de la Burbuja Local , una región de gas altamente ionizado, por lo que la densidad de los alrededores del Sol es de sólo 10 3 átomos / m 3.

Las estrellas se forman a partir de nubes densas del MIE, y el proceso evolutivo de las estrellas resulta un enriquecimiento constante del MIE con elementos más masivos que la hidrógeno y el helio.

Hasta un 95% de los átomos de la Vía Láctea están concentrados en el interior de las estrellas, y la masa total de átomos forma aproximadamente un 10% de los átomos de la galaxia [19] (el resto de materia pertenece a una materia oscura desconocida).

Nucleosíntesis

Los protones y electrones estables aparecieron un segundo después del big bang. Durante los tres minutos siguientes, la nucleosíntesis primordial produjo la mayoría del helio , el litio y el deuterio que hay en el universo, y tal vez una parte del berilio y el boro.

Los primeros átomos (completos con electrones unidos) fueron creados teóricamente 380.000 años después del big bang -una época llamada recombinación , cuando el universo en expansión se enfría lo suficiente como para que los electrones se pudieran unir los núcleos.

Desde entonces, los núcleos atómicos han sido combinados dentro de las estrellas , mediante el proceso de fusión nuclear , para producir los elementos hasta el hierro.

Isótopos como el litio-6 son generados en el espacio mediante la espalación de rayos cósmicos. Esto se produce cuando un protón de alta energía impacta con un núcleo atómico, causando la eyección de un gran número de nucleones.

Los elementos más pesados que el hierro son producidos en las supernovas mediante el proceso R , y en las estrellas de la BAG por medio del proceso S ; ambos implican la captura de neutrones por parte de núcleos atómicos.

Elementos como el plomo se formaron principalmente por medio de la desintegración radiactiva de elementos más pesados.

Tierra

La mayoría de átomos que forman la Tierra y sus habitantes ya estaban presentes en su forma actual en la nebulosa que se colapsó de un nube molecular para formar el sistema solar . El resto son el resultado de la desintegración radiactiva, y se puede utilizar su proporción relativa para determinar la edad de la Tierra por datación radiométrica.

La mayoría del helio de la corteza de la Tierra (el 99% del helio de los yacimientos de gas, como lo demuestra la menor abundancia de helio-3 ) es un producto de la desintegración alfa.

Hay algunos átomos en la Tierra que no estaban al principio (es decir, no son “primordiales”) y que tampoco son el resultado de la desintegración alfa. El carbono-14 es generado constantemente por los rayos cósmicos que llegan a la atmósfera.

Algunos átomos en la Tierra han sido generados artificialmente o bien expresamente o bien como subproductos de los reactores y explosiones nucleares. De los elementos transuránidos (los que tienen un número atómico superior a 92), sólo el plutonio y el neptunio existen de forma natural en la Tierra.

Los elementos transuránidos tienen una semivida más corta que la edad actual de la Tierra, lo que hace tiempo que se han desintegrado las cantidades identificables de estos elementos, con la excepción de trazas de plutonio-244 , depositadas posiblemente por el polvo cósmico.

Se producen depósitos naturales de plutonio y neptunio por la captura de neutrones en mineral de uranio.

La Tierra contiene aproximadamente 1,33 × 10 50 átomos. En la atmósfera del planeta, existen pequeñas cantidades de átomos independientes de los gases nobles , tales como el argón y el neón .

El 99% restante de la atmósfera está unido en forma de moléculas, incluyendo dióxido de carbono y oxígeno y nitrógeno diatómicos. En la superficie de la Tierra, los átomos se combinan para formar varios compuestos, incluyendo agua , sal , silicatos y óxidos.

Los átomos también se pueden combinar para crear materiales que no se componen de moléculas diferenciadas, incluyendo cristales y metales líquidos o sólidos. Esta materia atómica forma configuraciones en red que carecen del tipo particular de orden interrumpido pequeña escala asociado con la materia molecular.

Formas teóricas y raras

Mientras que se sabe que los isótopos con un número atómico superior al del plomo (82) son radiactivos, se ha propuesto una ” isla de estabilidad ” para algunos elementos con un número atómico superior a 103.

Estos elementos superpesados podrían tener un núcleo relativamente estable contra la desintegración radiactiva. El candidato más probable para ser un átomo superpesado estable, el unbihexi , tiene 126 protones y 184 neutrones.

Todas las partículas de materia tienen una partícula de antimateria correspondiente, que tiene la carga eléctrica opuesta. Así pues, el positrón es un antielectrón con carga positiva y el antiprotón es un equivalente del protón con carga negativa.

Cuando se encuentran una partícula de materia y su partícula de antimateria correspondiente, se aniquilan mutuamente. Debido a esto, junto con un desequilibrio entre el número de partículas de materia y de antimateria, esta última es rara en el universo (las primeras causas de este desequilibrio todavía no están bien comprendidas, aunque las teorías de la bariogénesis podrían ofrecer una explicación).

Por ello, no se ha descubierto ningún átomo de antimateria en la naturaleza. Sin embargo, en 1966 se sintetizó antihidrógeno , el homólogo antimaterial del hidrógeno, el laboratorio CERN de Ginebra.

Se han creado otros átomos exóticos sustituyendo uno de los protones, neutrones o electrones con otras partículas que tengan la misma carga. Por ejemplo, se puede sustituir un electrón por un muón , más masivo, formando un átomo muónico.

Este tipo de átomos se pueden utilizar para probar las predicciones fundamentales de la física.

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