Definición: Materia
es todo lo que tiene masa y ocupa un
lugar en el espacio
La Química es
la ciencia que estudia su naturaleza, composición y transformación.
Si la materia
tiene masa y ocupa un lugar en el espacio significa que es cuantificable, es
decir, que se puede medir.
Todo
cuanto podemos imaginar, desde un libro, un auto, el computador y hasta la
silla en que nos sentamos y el agua que bebemos, o incluso algo intangible como
el aire que respiramos, está hecho de materia.
Los planetas
del Universo, los seres vivos como los insectos y los objetos inanimados como
las rocas, están también hechos de materia.
De acuerdo a
estos ejemplos, en el mundo natural existen distintos tipos de materia, la cual
puede estar constituida por dos o más materiales diferentes, tales como la
leche, la madera, un trozo de granito, el azúcar, etc. Si un trozo de granito
se muele, se obtienen diferentes tipos de materiales
La cantidad de
materia de un cuerpo viene dada por su masa, la cual se mide normalmente en kilogramos o en
unidades múltiplo o submúltiplo de ésta (en química, a menudo se mide en gramos).
La masa representa una medida de la inercia o resistencia que opone un cuerpo a
acelerarse cuando se halla sometido a una fuerza. Esta fuerza puede derivarse
del campo gravitatorio terrestre, y en este caso se denomina peso. (La masa y el peso se confunden a menudo en el
lenguaje corriente; no son sinónimos).
Volumen de un cuerpo es el lugar o espacio que
ocupa. Existen cuerpos de muy diversos tamaños. Para expresar el volumen de un
cuerpo se utiliza el metro cúbico (m³) y demás múltiplos y
submúltiplos.
Composición de la materia
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Átomos forman
la materia.
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La materia está
integrada por átomos, partículas diminutas que, a su vez, se
componen de otras aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas, las
cuales se agrupan para constituir los diferentes objetos.
Un átomo es
la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia
propia y puede entrar en combinación. Está constituido por un núcleo, en
el cual se hallan los protones y neutrones y una corteza, donde se encuentran
los electrones. Cuando el número de protones del núcleo es igual al de
electrones de la corteza, el átomo se encuentra en estado eléctricamente
neutro.
Se
denomina número atómico al número de protones que existen en
el núcleo del átomo de un elemento. Si un átomo pierde o gana uno o más
electrones adquiere carga positiva o negativa, convirtiéndose en un ion. Los
iones se denominancationes si tienen carga positiva y aniones si tienen carga negativa.
La mayoría de
los científicos cree que toda la materia contenida en el Universo se creó en
una explosión denominada Big Bang, que desprendió una enorme
cantidad de calor y de energía. Al cabo de unos pocos segundos, algunos
de los haces de energía se transformaron en partículas diminutas que, a su vez,
se convirtieron en los átomos que integran el Universo en que
vivimos.
En la
naturaleza los átomos se combinan formando las moléculas. Una
molécula es una agrupación de dos o más átomos unidos mediante enlaces
químicos. La molécula es la mínima cantidad de una sustancia que puede
existir en estado libre conservando todas sus propiedades químicas.
Todas las
sustancias están formadas por moléculas. Una molécula puede estar formada
por un átomo (monoatómica), por dos átomos (diatómica), por tres átomos
(triatómica) o más átomos (poliatómica)
Las moléculas
de los cuerpos simples están formadas por uno o más átomos idénticos (es decir,
de la misma clase). Las moléculas de los compuestos químicos están formadas al
menos por dos átomos de distinta clase (o sea, de distintos elementos).
Continuidad de la materia
Si se tiene una
determinada cantidad de una sustancia cualquiera, como por ejemplo, de agua y
se desea dividirla lo más posible, en mitades sucesivas, llegará un momento en
que no podrá dividirse más, ya que se obtendría la cantidad más pequeña de
agua.
Esta
mínima cantidad de agua, tal como se dijo anteriormente, corresponde a
una molécula. Si esta molécula se dividiera aún más, ya no
sería agua lo que se obtendría, sino que átomos de hidrógeno y de oxígeno que
son los constituyentes de la molécula de agua.
Por lo
tanto, una molécula es la partícula de materia más pequeña que puede existir
como sustancia compuesta. Cuando la molécula de agua: (H2O) se
divide en dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, la sustancia dejó de
ser agua.
Los científicos
han demostrado que la materia, sea cual fuere su estado físico, es de naturaleza
corpuscular, es decir, la materia está compuesta por partículas pequeñas,
separadas unas de otras.
Las sustancias
que conforman la materia se pueden clasificar en elementos, compuestos y mezclas.
Los elementos son
sustancias que están constituidas por átomos iguales, o sea de la misma
naturaleza. Por ejemplo: hierro, oro, plata, calcio, etc. Los compuestos están
constituidos por átomos diferentes.
El agua y el
hidrógeno son ejemplos de sustancias puras. El agua es un compuesto mientras
que el hidrógeno es un elemento. El agua está constituida por dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno y el hidrógeno únicamente por dos átomos de
hidrógeno.
Si se
somete el agua a cambios de estado, su composición no varía porque es una
sustancia pura, pero si se somete a cambios químicos el agua se puede
descomponer en átomos de hidrógeno y de oxígeno. Con el hidrógeno no se puede
hacer lo mismo. Si se somete al calor, la molécula seguirá estando constituida
por átomos de hidrógeno. Si se intenta separarla por medios químicos siempre se
obtendrá hidrógeno.
Las mezclas se
obtienen de la combinación de dos o más sustancias que pueden ser elementos o compuestos.
En las mezclas no se establecen enlaces químicos entre los componentes de la
mezcla. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.
Las mezclas homogéneas son aquellas en las cuales todos sus
componentes están distribuidos uniformemente, es decir, la concentración es la
misma en toda la mezcla, en otras palabras en la mezcla hay una sola fase.
Ejemplos de mezclas homogéneas son la limonada, sal disuelta en agua, etc. Este
tipo de mezcla se denomina solución o disolución.
Las mezclas heterogéneas son aquellas en las que sus componentes no
están distribuidos uniformemente en toda la mezcla, es decir, hay más de una
fase; cada una de ellas mantiene sus características. Ejemplo de este tipo de
mezcla es el agua con el aceite, arena disuelta en agua, etc; en ambos ejemplos
se aprecia que por más que se intente disolver una sustancia en otra siempre
pasado un determinado tiempo se separan y cada una mantiene sus
características.
Propiedades de la materia
Las propiedades
de la materia corresponden a las características específicas por
las cuales una sustancia determinada puede distinguirse de otra. Estas
propiedades pueden clasificarse en dos grupos:
Propiedades
físicas: ependen
fundamentalmente de la sustancia misma. Pueden citarse como ejemplo el color,
el olor, la textura, el sabor, etc.
Propiedades
químicas: dependen
del comportamiento de la materia frente a otras sustancias. Por ejemplo, la
oxidación de un clavo (está constituido de hierro).
Las propiedades
físicas pueden clasificarse a su vez en dos grupos:
Propiedades
físicas extensivas: dependen de
la cantidad de materia presente. Corresponden a la masa, el
volumen, la longitud.
Propiedades
físicas intensivas: dependen sólo del material, independientemente de la cantidad que se
tenga, del volumen que ocupe, etc. Por ejemplo, un litro de agua tiene la misma
densidad que cien litros de agua
Estados físicos de la
materia
En condiciones
no extremas de temperatura, la materia puede presentarse en tres estados
físicos diferentes: estado sólido, estado líquido y estado gaseoso.
Los sólidos poseen
forma propia como consecuencia de su rigidez y su resistencia a cualquier
deformación. La densidad de los sólidos es en general muy poco superior a
la de los líquidos, de manera que no puede pensarse que esa rigidez
característica de los sólidos sea debida a una mayor proximidad de sus
moléculas; además, incluso existen sólidos como el hielo que son menos densos
que el líquido del cual provienen. Además ocupan un determinado volumen y se
dilatan al aumentar la temperatura.
Esa rigidez se
debe a que las unidades estructurales de los sólidos, los átomos, moléculas y
iones, no pueden moverse libremente en forma caótica como las moléculas de los
gases o, en menor grado, de los líquidos, sino que se encuentran en posiciones
fijas y sólo pueden vibrar en torno a esas posiciones fijas, que se encuentran
distribuidas, de acuerdo con un esquema de ordenación, en las tres direcciones
del espacio.
La estructura
periódica a que da lugar la distribución espacial de los elementos
constitutivos del cuerpo se denomina estructura cristalina, y
el sólido resultante, limitado por caras planas paralelas, se denomina cristal. Así,
pues, cuando hablamos de estado sólido, estamos hablando realmente de estado
cristalino.
Los líquidos se
caracterizan por tener un volumen propio, adaptarse a la forma de la vasija en
que están contenidos, poder fluir, ser muy poco compresibles y poder pasar al
estado de vapor a cualquier temperatura. Son muy poco compresibles bajo
presión, debido a que, a diferencia de lo que ocurre en el caso de los gases,
en los líquidos la distancia media entre las moléculas es muy pequeña y, así,
si se reduce aún más, se originan intensas fuerzas repulsivas entre las
moléculas del líquido.
El hecho de que
los líquidos ocupen volúmenes propios demuestra que las fuerzas de cohesión
entre sus moléculas son elevadas, mucho mayores que en el caso de los gases,
pero también mucho menores que en el caso de los sólidos. Las moléculas de los
líquidos no pueden difundirse libremente como las de los gases, pero las que
poseen mayor energía cinética pueden vencer las fuerzas de cohesión y escapar
de la superficie del líquido (evaporación).
Los gases se
caracterizan porque llenan completamente el espacio en el que están
encerrados. Si el recipiente aumenta de volumen el gas ocupa
inmediatamente el nuevo espacio, y esto es posible sólo porque existe una
fuerza dirigida desde el seno del gas hacia las paredes del recipiente que lo
contiene. Esa fuerza por unidad de superficie es
la presión.
Los gases son
fácilmente compresibles y capaces de expansionarse indefinidamente.
Los cuerpos
pueden cambiar de estado al variar la presión y la temperatura. El agua en la naturaleza cambia de
estado al modificarse la temperatura; se presenta en estado sólido, como nieve
o hielo, como líquido y en estado gaseoso como vapor de agua (nubes).
Materia viva e
inerte
La Tierra
alberga a muchos seres vivos, como son las plantas y animales. Una
mariposa parece algo muy distinto de una piedra; sin embargo, ambas están
compuestas de átomos, aunque éstos se combinan de manera diferente en uno y
otro caso. Lamayor parte de la materia es inanimada; es decir, no crece, ni se
reproduce, ni se mueve por sí misma. Un buen ejemplo de materia inanimada
lo constituyen las rocas que componen la Tierra.
Cambios de la materia
Los cambios que
puede experimentar la materia se pueden agrupar en dos campos:
Los cambios físicos son aquellos en los que no hay ninguna
alteración o cambio en la composición de la sustancia. Pueden citarse
como cambios físicos los cambios de estado (fusión, evaporación, sublimación,
etc.), y los cambios de tamaño o forma. Por ejemplo, cuando un trozo de plata
se ha transformado en una anillo, en una bandeja de plata, en unos aretes, se
han producido cambios físicos porque la plata mantiene sus propiedades en los
diferentes objetos.
En general, los
cambios físicos son reversibles, es decir, se puede volver a
obtener la sustancia en su forma inicial
Los cambios
químicos son las transformaciones que experimenta una sustancia cuando
su estructura y composición varían, dando lugar a la formación de una o más
sustancias nuevas. La sustancia se transforma en otra u otras sustancias
diferentes a la original.
El origen de
una nueva sustancia significa que ha ocurrido un reordenamiento de los
electrones dentro de los átomos, y se han creado nuevos enlaces químicos. Estos
enlaces químicos determinarán las propiedades de la nueva sustancia o
sustancias.
La mayoría de
los cambios químicos son irreversibles. Ejemplos: al quemar un
papel no podemos obtenerlo nuevamente a partir de las cenizas y los gases que
se liberan en la combustión; el cobre se oxida en presencia de oxígeno formando
otra sustancia llamada óxido de cobre. Sin embargo, hay otros cambios químicos
en que la adición de otra sustancia provoca la obtención de la sustancia
original y en este caso se trata de un cambio químico reversible;
así, pues, para provocar un cambio químico reversible hay que provocar otro
cambio químico.
La materia
cambia de estado físico según se le aplique calor o se le aplique frío.
Cuando se aplica
calor a los cuerpos se habla de Cambios de estado Progresivos
de la materia. Cuandolos cuerpos se enfríanse habla
de Cambios de estado Regresivos.
Los cambios de
estado progresivos son:
• Sublimación
Progresiva
• Fusión
• Evaporación
1. Sublimación
progresiva: Este cambio se produce cuando un cuerpo pasa del estado
sólido al gaseoso directamente. La sublimación progresiva sólo ocurre en
algunas sustancias, como, el yodo y la naftalina.
2. Fusión. Es
el paso de una sustancia, del estado sólido al líquido por la acción del
calor. La temperatura a la que se produce la fusión es característica de
cada sustancia. Por ejemplo la temperatura a la que ocurre la fusión del
hielo es O° C mientras la del hierro es de 1.525° C. La temperatura constante a
la que ocurre la fusión se denomina punto de fusión.
3. Evaporación. Es
el paso de una sustancia desde el estado líquido al gaseoso. Este cambio de
estado ocurre normalmente a la temperatura ambiente, y sin necesidad de aplicar
calor. Bajo esas condiciones, sólo las partículas de la superficie del líquido
pasarán al estado gaseoso, mientras que aquéllas que están más abajo seguirán
en el estado inicial. Sin embargo, si se aplica mayor calor, tanto las
partículas de la superficie como las del interior del líquido podrán pasar al
estado gaseoso. El cambio de estado así producido se denomina ebullición. La
temperatura que cada sustancia necesita para alcanzar la ebullición es
característica, y se denomina punto de ebullición. Por
ejemplo, al nivel del mar el alcohol tiene un punto de ebullición de 78,5° C y
el agua de 100°C.
La temperatura
a la que ocurre la fusión o la ebullición de una sustancia es un valor
constante, es independiente de la cantidad de sustancia y no varía aún cuando ésta continúe
calentándose.
El punto de
fusión y el punto de ebullición pueden considerarse como las huellas digitales
de una sustancia, puesto que corresponden a valores característicos, propios de
cada una y permiten su identificación.
|
Sustancia
|
Punto de fusión (ºC)
|
Punto de ebullición (ºC)
|
|
Agua
(sustancia)
|
0
|
100
|
|
Alcohol
(sustancia)
|
-117
|
78
|
|
Hierro
(elemento)
|
1.539
|
2.750
|
|
Cobre
(elemento)
|
1.083
|
2.600
|
|
Aluminio
(elemento)
|
660
|
2.400
|
|
Plomo
(elemento)
|
328
|
1.750
|
|
Mercurio
(elemento)
|
-39
|
357
|
|
|
|
|
Los cambios de
estado regresivos de la materia son:
• Sublimación
regresiva
• Solidificación
• Condensación
1. Sublimación
regresiva. Es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia
gaseosa se vuelve sólida, sin pasar por el estado líquido.
2. Solidificación. Es
el paso de una sustancia desde el estado líquido al sólido. Este proceso
ocurre a una temperatura característica para cada sustancia denominada punto
de solidificación y que coincide con su punto de fusión.
3. Condensación. Es
el cambio de estado que se produce en una sustancia al pasar del estado gaseoso
al estado líquido. La temperatura a que ocurre esta transformación se
llama punto de condensación y corresponde al punto de
ebullición de dicha sustancia. Este cambio de estado es uno de los más
aprovechados por el hombre en la destilación fraccionada del petróleo, mediante
la cual se obtienen los derivados como la parafina, bencina y gas de cañería.
Ley de la
Conservación de la Materia:
Antoine
Lavoisier, químico
francés, demostró luego de largos y cuidadosos trabajos con la balanza, que en
las reacciones químicas la masa total del sistema no cambiaba. Este
descubrimiento constituyó uno de los logros más importantes de la Química.
La ley puede
enunciarse de la siguiente manera:
“En un sistema
cerrado, en el cual se producen reacciones químicas, la materia no se crea ni
se destruye, sólo se transforma; es decir, la masa de los reactantes es igual a
la masa de los productos”.
A +
B ----------> C
+ D
A y B representan
compuestos químicos que al reaccionar dan origen a C y D. Los compuestos A y B
son los reactantes porque reaccionan para generar
los productos C y D. La masa de los reactantes es igual a la masa de
los productos.
Composición de la materia
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|
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Átomos forman
la materia.
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La materia está
integrada por átomos, partículas diminutas que, a su vez, se
componen de otras aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas, las
cuales se agrupan para constituir los diferentes objetos.
Un átomo es
la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia
propia y puede entrar en combinación. Está constituido por un núcleo, en
el cual se hallan los protones y neutrones y una corteza, donde se encuentran
los electrones. Cuando el número de protones del núcleo es igual al de
electrones de la corteza, el átomo se encuentra en estado eléctricamente
neutro.
Se
denomina número atómico al número de protones que existen en
el núcleo del átomo de un elemento. Si un átomo pierde o gana uno o más electrones
adquiere carga positiva o negativa, convirtiéndose en un ion. Los
iones se denominancationes si tienen carga positiva y aniones si tienen carga negativa.
La mayoría de
los científicos cree que toda la materia contenida en el Universo se creó en una
explosión denominada Big Bang, que desprendió una enorme cantidad
de calor y de energía. Al cabo de unos pocos segundos, algunos de los
haces de energía se transformaron en partículas diminutas que, a su vez, se
convirtieron en los átomos que integran el Universo en que
vivimos.
En la
naturaleza los átomos se combinan formando las moléculas. Una
molécula es una agrupación de dos o más átomos unidos mediante enlaces
químicos. La molécula es la mínima cantidad de una sustancia que puede
existir en estado libre conservando todas sus propiedades químicas.
Todas las
sustancias están formadas por moléculas. Una molécula puede estar formada
por un átomo (monoatómica), por dos átomos (diatómica), por tres átomos
(triatómica) o más átomos (poliatómica)
Las moléculas
de los cuerpos simples están formadas por uno o más átomos idénticos (es decir,
de la misma clase). Las moléculas de los compuestos químicos están formadas al
menos por dos átomos de distinta clase (o sea, de distintos elementos).
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Materia1.htm
Átomo
Representación de un átomo de
helio.
Un
átomo es
la unidad constituyente más pequeña de la
materia ordinaria que tiene
las propiedades de un
elemento químico.
1 Cada
sólido,
líquido,
gas y
plasma se compone de
átomos neutros o
ionizados. Los átomos son muy
pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil
millonésima parte de un metro).
2 No obstante, los
átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su
tamaño que dan valores diferentes pero cercanos.
Los átomos son lo
suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente
incorrectos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han
incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su
comportamiento.
Cada átomo se
compone de un
núcleo y uno o más
electrones unidos al núcleo.
El núcleo está compuesto de uno o más
protones y típicamente un número
similar de
neutrones (ninguno en el
hidrógeno-1). Los protones y los neutrones son llamados
nucleones. Más del
99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los protones tienen una
carga eléctrica positiva, los
electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones no tienen carga
eléctrica. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es
eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones,
entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se
denomina
ion.
Los electrones de un
átomo son atraídos por los protones en un núcleo atómico por esta
fuerza electromagnética. Los protones y los
neutrones en el núcleo son atraídos el uno al otro por una fuerza diferente, la
fuerza nuclear, que es
generalmente más fuerte que la fuerza electromagnética que repele los protones
cargados positivamente entre sí. Bajo ciertas circunstancias, la fuerza
electromagnética repelente se vuelve más fuerte que la fuerza nuclear y los
nucleones pueden ser expulsados del núcleo, dejando tras de sí un elemento
diferente:
desintegración
nuclear que resulta en
transmutación nuclear.
El número de
protones en el núcleo define a qué
elemento químico pertenece el átomo:
por ejemplo, todos los átomos de
cobre contienen 29
protones. El número de neutrones define el
isótopo del elemento.
3 El número de
electrones influye en las propiedades
magnéticas de un átomo. Los
átomos pueden unirse a otro u otros átomos por
enlaces
químicos para formar
compuestos químicos tales como
moléculas. La capacidad de
los átomos de asociarse y disociarse es responsable de la mayor parte de los
cambios físicos observados en la naturaleza y es el tema de la disciplina de la
química.
No toda la materia
del universo está compuesta de átomos. La
materia
oscura constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos,
sino de partículas de un tipo actualmente desconocido.
El nombre «átomo»
proviene del
latín atomum, y
este del
griego ἄτομον 'no cortado,
sin porciones, indivisible'; también, se deriva de
a- ('no') y
tómo-
'trozo cortado, porción, parte'.
4 El concepto de
átomo como bloque básico e indivisible que compone la
materia del
universo fue postulado por
la
escuela atomista en la
Antigua
Grecia. Sin embargo, no fueron considerados seriamente por los científicos
hasta el
siglo XIX, cuando fueron introducidos para explicar ciertas
leyes químicas. Con el desarrollo de la
física
nuclear en el
siglo XX se comprobó que el
átomo puede subdividirse en
partículas más pequeñas.
5 6
Los átomos son
objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su diámetro y masa son
del orden de la billonésima parte de un
metro y cuatrillonésima
parte de un
gramo. Solo pueden ser observados mediante instrumentos especiales tales como
un
microscopio de efecto túnel. Más de un
99,94 % de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general
repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El
núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una
transmutación mediante
desintegración radioactiva. Los electrones en
la nube del átomo están repartidos en distintos niveles de energía u
orbitales, y determinan las propiedades químicas del
mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o
absorción de
radiación electromagnética en forma de
fotones, y son la base de
la
espectroscopia.
Estructura atómica
Partículas subatómicas
A pesar de que
átomo
significa ‘indivisible’, en realidad está formado por varias partículas subatómicas.
El átomo contiene
protones,
neutrones y
electrones, con la excepción
del
hidrógeno-1, que no contiene
neutrones, y del catión hidrógeno o
hidrón, que no contiene
electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan
nucleones, por formar parte
del núcleo atómico.
El electrón es la
partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10
−31 kg.
Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la
carga eléctrica elemental, y se ignora si
posee subestructura, por lo que se lo considera una
partícula elemental. Los protones
tienen una masa de 1,67 · 10
−27 kg, 1836 veces la del electrón,
y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69
· 10
−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga
eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del
núcleo, debido a la
energía potencial del mismo; y sus
tamaños son similares, con un radio del orden de 8 · 10
−16 m o
0,8
femtómetros (fm).
7
El protón y el
neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un
estado ligado de
quarks u y
d,
partículas fundamentales recogidas en el
modelo estándar de la física de
partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y −1/3 respectivamente,
respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos
quarks u y un
quark d, mientras que el
neutrón contiene dos
d y un
u, en consonancia con la carga de
ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la
fuerza nuclear fuerte, mediada por
gluones —del mismo modo que
la fuerza electromagnética está mediada por fotones—. Además de estas, existen
otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks,
leptones cargados (similares
al electrón), etc.
El núcleo atómico
Los protones y
neutrones de un átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, la parte
central del mismo. El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número
total de nucleones, el
número másico A,
8 lo cual es mucho
menor que el tamaño del átomo, cuyo
radio es del orden de 10
5
fm o 1
ångström (Å). Los nucleones
se mantienen unidos mediante la
fuerza
nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias
cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones.
9
Los átomos de un
mismo
elemento tienen el mismo número de protones, que se
denomina
número atómico y se representa por
Z. Los átomos de un elemento dado pueden tener distinto número de
neutrones: se dice entonces que son
isótopos. Ambos números
conjuntamente determinan el
núclido.
En átomos con número
atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones
tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables.
Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los
protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.
10
Nube de electrones
Los cinco primeros orbitales atómicos.
Los electrones en el
átomo son atraídos por los protones a través de la fuerza electromagnética.
Esta fuerza los atrapa en un
pozo de potencial electrostático
alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa para
liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza
atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.
Los electrones, como
otras partículas, presentan simultáneamente propiedades de
partícula puntual y de onda, y tienden a formar
un cierto tipo de
onda
estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas
ondas está caracterizada por un
orbital atómico, una función
matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto
del espacio. El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede
enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. La
nube de electrones
es la región ocupada por estas ondas, visualizada como una densidad de carga
negativa alrededor del núcleo.
Cada orbital
corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten
entre ellos. El
principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de
dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones
entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con
energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel
más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en
un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos
niveles son las que se observan en las
líneas espectrales del átomo.
Propiedades atómicas
Masa
La mayor parte de la
masa del átomo viene de los
nucleones, los protones y
neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña parte la masa de los
electrones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de la
equivalencia entre masa y energía. La
unidad de masa que se utiliza
habitualmente para expresarla es la
unidad de masa atómica (u). Esta se define
como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de
carbono-12 libre, cuyo núcleo
contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 · 10
−27 kg
aproximadamente. En comparación el protón y el neutrón libres tienen una masa
de 1,007 y 1,009 u. La masa de un átomo es entonces aproximadamente igual
al número de nucleones en su núcleo —el número másico— multiplicado por la
unidad de masa atómica. El átomo estable más pesado es el
plomo-208, con una masa de
207,98 u.
11
En
química se utiliza también
el
mol como unidad de
masa. Un mol de átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo número
de estos (
6,022 · 1023), lo cual implica
que un mol de átomos de un elemento con masa atómica de 1 u pesa
aproximadamente 1 gramo. En general, un mol de átomos de un cierto elemento
pesa de forma aproximada tantos gramos como la masa atómica de dicho elemento.
Historia de la teoría atómica
El concepto de átomo
existe desde la
Antigua
Grecia propuesto por los filósofos griegos
Demócrito,
Leucipo y
Epicuro, sin embargo, no se
generó el concepto por medio de la experimentación sino como una necesidad
filosófica que explicara la realidad, ya que, como proponían estos pensadores,
la materia no podía dividirse indefinidamente, por lo que debía existir una
unidad o bloque indivisible e indestructible que al combinarse de diferentes
formas creara todos los cuerpos macroscópicos que nos rodean.
17 El siguiente avance
significativo no se realizó hasta que en
1773 el químico francés
Antoine-Laurent de Lavoisier postuló su
enunciado: «
La materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma».
La ley de conservación de la masa o
ley de conservación de la materia; demostrado más
tarde por los experimentos del químico inglés
John
Dalton quien en
1804, luego de medir la
masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyó que las
sustancias están compuestas de átomos esféricos idénticos para cada elemento,
pero diferentes de un elemento a otro.
18
Luego en
1811, el físico italiano
Amedeo Avogadro, postuló que a una
temperatura, presión y volumen dados, un gas contiene siempre el mismo número
de partículas, sean átomos o moléculas, independientemente de la naturaleza del
gas, haciendo al mismo tiempo la hipótesis de que los gases son
moléculas poliatómicas con lo
que se comenzó a distinguir entre átomos y moléculas.
19
El químico ruso
Dmítri Ivánovich Mendeléyev creó en
1869 una clasificación
de los elementos químicos en orden creciente de su masa atómica, remarcando que
existía una periodicidad en las propiedades químicas. Este trabajo fue el
precursor de la
tabla periódica de los elementos
como la conocemos actualmente.
20
Tamaño relativo de las diferentes partículas atómicas.
La concepción del
átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los
descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. A
continuación se hará una exposición de los modelos atómicos propuestos por los
científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos
para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera
de reseña histórica.
Modelo de Dalton
Fue el primer modelo
atómico con bases científicas, fue formulado en
1803 por
John
Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas esferas.
22 Este primer modelo
atómico postulaba:
- La materia está formada por partículas
muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden
destruir.
- Los átomos de un mismo elemento son
iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos
de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
- Los átomos permanecen sin división, aun
cuando se combinen en las reacciones químicas.
- Los átomos, al combinarse para formar
compuestos guardan relaciones simples.
- Los átomos de elementos diferentes se
pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
- Los compuestos químicos se forman al
unirse átomos de dos o más elementos distintos.
Sin embargo
desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catódicos, la
radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o protones(p+).
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Diferencia entre los bariones y los mesones.
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Diferencia entre fermiones y bosones.
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Modelo de Thomson
Modelo atómico de Thomson.
Luego del
descubrimiento del electrón en
1897 por
Joseph John Thomson, se determinó que
la materia se componía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte
negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban según
este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un
pastel (de la analogía del inglés
plum-pudding model) o uvas en
gelatina. Posteriormente
Jean
Perrin propuso un modelo modificado a partir del de Thomson donde las «pasas»
(electrones) se situaban en la parte exterior del «pastel» (la carga positiva).
Para explicar la formación
de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la
estructura atómica, Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una
nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas (los electrones)
suspendidos en ella. El número de cargas negativas era el adecuado para
neutralizar la carga positiva. En el caso de que el átomo perdiera un electrón,
la estructura quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De
esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin explicación la
existencia de las otras radiaciones.
Modelo de Rutherford
Modelo atómico de Rutherford.
Este modelo fue
desarrollado por el físico
Ernest
Rutherford a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el
experimento de Rutherford en 1911. Representa
un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone
de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior,
postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también
contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se
ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con
un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la
percepción más común del átomo del público no científico.
Rutherford predijo
la existencia del neutrón en el año
1920, por esa razón en
el modelo anterior (Thomson), no se habla de este.
Por desgracia, el
modelo atómico de Rutherford presentaba varias incongruencias:
- Contradecía las leyes del electromagnetismo de James Clerk Maxwell, las cuales
estaban muy comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de
Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón)
debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un
momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se
destruiría. Todo ocurriría muy brevemente.
- No explicaba los espectros
atómicos.
Modelo de Bohr
Modelo atómico de Bohr.
«El átomo es un
pequeño sistema solar con un núcleo en el centro y electrones moviéndose
alrededor del núcleo en órbitas bien definidas». Las órbitas están cuantizadas
(los e- pueden estar solo en ciertas órbitas)
- Cada órbita tiene una energía asociada.
La más externa es la de mayor energía.
- Los electrones no irradian energía (luz)
mientras permanezcan en órbitas estables.
- Los electrones pueden saltar de una a
otra órbita. Si lo hace desde una de menor energía a una de mayor energía
absorbe un cuanto de energía (una cantidad) igual a la diferencia de
energía asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor,
pierde energía en forma de radiación (luz).
El mayor éxito de
Bohr fue dar la explicación al espectro de emisión del hidrógeno. Pero solo la
luz de este elemento. Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz,
el fotón es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un
pulso de energía radiada.
Bohr no pudo
explicar la existencia de órbitas estables y para la condición de cuantización.
Bohr encontró que el
momento angular del electrón es h/2π por un método que no puede justificar.
Modelo de Schrödinger
Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros
niveles de energía.
En el modelo de
Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas
con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia
a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo. En vez de esto,
Schrödinger describe a los electrones por medio de una
función de onda, el cuadrado de la
cual representa la
probabilidad de presencia en una región delimitada
del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como
orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales
para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.
Modelo de Dirac
El modelo de Dirac
usa supuestos muy similares al
modelo de Schrödinger aunque su punto de
partida es una ecuación relativista para la función de onda, la
ecuación de Dirac. El modelo de Dirac
permite incorporar de manera más natural el
espín del electrón.
Predice niveles energéticos similares al modelo de Schrödinger proporcionando
las correcciones relativistas adecuadas.
Modelos posteriores
Tras el
establecimiento de la ecuación de Dirac, la teoría cuántica evolucionó hasta convertirse
propiamente en una
teoría cuántica de campos. Los modelos
surgidos a partir de los años 1960 y 1970 permitieron construir teorías de las
interacciones de los nucleones. La vieja teoría atómica quedó confinada a la
explicación de la estructura electrónica que sigue siendo explicada de manera
adecuada mediante el modelo de Dirac complementado con correcciones surgidas de
la
electrodinámica cuántica. Debido a la
complicación de las interacciones fuertes solo existen modelos aproximados de
la estructura del núcleo atómico. Entre los modelos que tratan de dar cuenta de
la estructura del núcleo atómico están el
modelo de la gota líquida y el
modelo de capas.
Posteriormente, a
partir de los años 1960 y 1970, aparecieron evidencias experimentales y modelos
teóricos que sugerían que los propios nucleones (neutrones, protones) y mesones
(
piones) que constituyen el
núcleo atómico estarían formados por constituyentes fermiónicos más elementales
denominados
quarks. La
interacción fuerte entre quarks
entraña problemas matemáticos complicados, algunos aún no resueltos de manera
exacta. En cualquier caso lo que se conoce hoy en día deja claro que la
estructura del núcleo atómico y de las propias partículas que forman el núcleo
son mucho más complicadas que la estructura electrónica de los átomos. Dado que
las propiedades químicas dependen exclusivamente de las propiedades de la
estructura electrónica, se considera que las teorías actuales explican
satisfactoriamente las propiedades químicas de la materia, cuyo estudio fue el
origen del estudio de la estructura atómica.
https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo
