Descubrimientos que originaron
el Modelo Actual del Átomo
Jesús Octavio Milán Gil
Para tener éxito en la vida, aún el hombre más primitivo necesitaba tener un conjunto considerable de conocimientos.
Adquiriendo y transmitiendo estos conocimientos, fueron estableciéndose los fundamentos de la Química.
Aunque, no comprendían las propiedades de la materia, observaban que se transformaba…
Es entonces cuando comienza a separar los materiales, en una continua búsqueda de los que sirven y los que no, guiado muchas veces por un color especial, por su estética,su consistencia,su utilidad o su valor…
Pero, Leucipo(500 a.C. – 370 a. C.), fue el primero que pensó en dividir la materia hasta obtener una partícula tan pequeña que no pudiera dividirse más. A esta partícula la denomino Átomo (del griego άτομος, indivisible) Esto ocurrió aproximadamente 450 a.C.
Demócrito (460 a.C.–370 a.C.), fue un filósofo griego presocrático ]discípulo de Leucipo.
El concepto de átomo como componente de la materia, fue postulado por la escuela atomista fundada por Leucipo y Demócrito en la Antigua Grecia y se pueden resumir así:
· Todas las cosas están compuestas de átomos sólidos.
· Entre los átomos existe el vacio o espacio en el que se mueven.
· Los átomos son eternos e inmutables.
· No son visibles, por ser demasiado pequeños.
· Varían en su forma, tamaño,peso, orden y posición.
Esta teoría, que había sido rechazada por más de veintitrés siglos, volvió a renacer en 1805, año en que el inglés John Dalton (1766 1844)propuso la Teoría Atómica de la Materia.
· Los átomos son las partículas básicas de la materia. Son indivisibles y no pueden ser creados ni destruidos.
· Los átomos que forman un elemento dado son idénticos entre si, en masa y tamaño.
· Los átomos de un elemento difieren de los de otros elementos, en cuanto a peso y propiedades.
· La combinación o reacción química, se efectúa cuando diferentes elementos se unen en proporciones numéricas simples, para formar compuestos.
Esta teoría nació de las pocas y borrosas observaciones experimentales de la época. Cuando preguntamos en nuestros días acerca de las características del átomo encontramos respuestas muy concretas. En los tiempos de Dalton no era así, el átomo, se consideraba como la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.
Modelo Atómico de Dalton
Los átomos son como esferas sólidas, compactas, indivisibles e indestructibles en donde en su interior no existen espacios vacios. Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue propuesto en 1808.
Hoy sabemos que los átomos se parecen a pequeñas esferas del tamaño de unas cuantas cienmillonésimas de centímetro, que su comportamiento se debe en gran parte a la distribución de carga eléctrica positiva, el cual contiene casi toda su masa.
Este núcleo, cuyo diámetro es de una billonésima de centímetro
(10–12), está contenida la energía atómica. Para dar idea del tamaño del núcleo en relación con el del átomo, baste decir que si éste tuviera un diámetro de cien metros, su núcleo equivaldría apenas a un centímetro.
Alrededor de este pequeñísimo núcleo se encuentran los electrones, de masa muy pequeña y con carga eléctrica negativa.
Estos electrones contienen niveles precisos de energía, de manera que a cada nivel de energía corresponde una zona en la cual los electrones se mueven libremente. Estas zonas o pistas, conocidas como orbitales atómicos, tienen volúmenes y formas diferentes según su energía.
Las características químicas dependen del número de electrones y de su distribución en los diferentes orbitales. Los elementos que tienen una distribución parecida, tendrán propiedades químicas semejantes.
A principios del siglo XIX empezó a darse la explosión de conocimientos sobre nuevos elementos y compuestos, pero formaban un conjunto de datos aislados y sin relación; muchos químicos se lanzaron entonces a encontrar una sistematización que armonizara todo este saber.
John Dalton observó que cuando los elementos se combinan entre sí para dar moléculas, lo hacen siempre en proporciones relativas exactas de materia y que esta proporción es siempre la misma para cada elemento. Estas observaciones lo llevaron a proponer el concepto de peso atómico para designar la masa relativa de combinación de un elemento químico con respecto a los otros.
Por la misma época Amadeo Avogadro (1776 – 1856)encontró la forma de conocer el número de átomos contenidos en un recipiente, y de esta manera el peso de un átomo aislado o de un conjunto. En el año de 1881, Avogadro seguido por Ampére, formuló su conocida ley: volúmenes iguales de gases distintos, en semejantes condiciones de temperatura y presión, poseen igual número de átomos o de moléculas. Hoy debido a que es difícil manejar el peso de un solo átomo se utiliza siempre el peso de 6.022X1023 átomos, o bien moléculas. Este "número mágico" o número de Avogadro se le denomina mol.
Desgraciadamente, la ley de Avogadro no fue aceptada por los químicos antes de 1860, porque se resistían a reconocer la teoría atómica y el concepto de elemento y molécula. La ley de Avogadro y la Teoría Atómica de Dalton permitieron establecer el concepto de los pesos relativos de los elementos, para ello se tomó como unidad al hidrógeno, que es el elemento más ligero que se conoce.
Los pesos atómicos de los elementos eran valores múltiplos del peso del hidrógeno en el sistema de Dalton, William Proust (1754-1826), formuló en 1815 la hipótesis de que todos los cuerpos simples derivaban de una materia prima única que era el hidrógeno. Ahora sabemos que esta hipótesis no estaba alejada de la realidad.
La propuesta de Proust estimulo las investigaciones de los pesos atómicos e impuso un criterio de clasificación de los elementos a partir de los pesos atómicos.
Hoy en día se sabe que en la naturaleza de este planeta hay cerca de noventa tipos diferentes de átomos. El hombre ha fabricado en los laboratorios veintiocho elementos nuevos. La combinación de los átomos da origen a todas las sustancias que conocemos, de la misma manera que con las 28 letras del abecedario de la lengua española podemos formar aproximadamente las cien mil palabras que la integran y los millones de ideas escritas o habladas que forman nuestra cultura.
A principios del siglo XIX se había observado que la corriente eléctrica es capaz de descomponer algunos compuestos en sus elementos: incluso se logró determinar la cantidad de electricidad necesaria para liberar cierta masa de un elemento a partir de uno de sus compuestos. Así por ejemplo, se encontró que se necesitan 96490 C de electricidad para liberar del agua un gramo de hidrógeno.
Basado en estos hechos, George Johnstone Stoney(1826-1911) afirmo en 1874 que hay unidades discretas de electricidad asociadas con los átomos y en 1891 sugirió el nombre de electrón para la supuesta unidad de electricidad.
El siglo XIX estuvo repleto de experimentos eléctricos, Nicholson y Carlislie en 1800, descubren la electrólisis y Michael Faraday (179 –1867) en 1830 logra realizar varios descubrimientos:
· Métodos para licuar gases,
· Descubrió el benceno,
· Formuló las relaciones entre la intensidad de la corriente eléctrica y la transformación que produce en una reacción química de electrólisis,
· Diseñó el primer generador eléctrico
Julius Plücker(1801 – 1868) inspirado en los trabajos de Faraday y asociado con Heinrich Geissler (1815-1879) un soplador de vidrio extraordinario — quien ideó la manera de evacuar hasta presiones muy bajas el gas dentro de un tubo de vidrio y sellarlo —, Plücker agregó dos electrodos metálicos a los extremos del “tubo de Geissler” para conectar el gas evacuado a una alta diferencia de potencial. Ambos observaron por primera vez un fenómeno luminoso en el interior del tubo, debido a una radiación aparentemente emitida del electrodo negativo que viajaba hacia el positivo. Como al electrodo positivo se le llama ánodo y al conectado a la terminal negativa se le conoce como cátodo, a los rayos de Plücker se les llamó rayos catódicos.
Johann Wilhelm Hittorf (1824–1914), en 1869 colocó diversos obstáculos en el trayecto de los rayos catódicos y observó sus bien definidas sombras en la luminiscencia producida por los rayos sobre el vidrio del tubo. No había duda, los rayos viajaban en línea recta y salían del cátodo. La pregunta que se formuló era si esa radiación estaba formada por partículas con una carga eléctrica o eran simplemente un haz de luz.
Esta pregunta la contestarla, William Crookes (1832–1919), quién colocó un imán cerca del tubo y notó que el haz era desviado. Los campos eléctricos también desviaban las partículas de los rayos. Se trataba entonces de un haz de partículas cargadas y, por la trayectoria seguida ante los campos eléctricos y magnéticos, se concluyó que su carga era negativa.
Jean Baptiste Perrin (1879-1942), en 1895 demostró que los rayos catódicos estaban constituidos por partículas cargadas negativamente.
Sin embargo William Crookes, perfecciono de tal manera a los tubos, que no vislumbro que serían con el paso del tiempo los pioneros de los tubos de neón que años más tarde alumbrarían los establecimientos de anuncios luminosos y serían un adelanto del aparato de televisión, las pantallas de las computadoras, los osciloscopios, el radar y los electrocardiógrafos.
Fue J. J. Thomson (1856-1940), quien en 1897 realizó el experimento, de carácter cuantitativo, de determinar la relación carga sobre masa (e/m) de las partículas que constituían los rayos catódicos; obtuvo un valor e/m=1x108 C por gramo.
A finales del siglo XIX, concerniente a los rayos catódicos o más bien dicho partículas catódicas, encontramos a Joseph John Thomson construyendo un tubo de Geissler, tratando de determinar su naturaleza.
Consta de una pantalla fluorescente al final del tubo, de tal manera que brillara al chocar sobre ella los rayos. En ausencia de interacciones, el haz se movía en línea recta, por lo que el brillo en la pantalla se producía al centro de la misma.
Thomson colocó además un campo magnético (imán) en el interior del tubo, que provocaba que el haz de partículas se desviaran hacia otro punto de la pantalla [ver la pantalla: A, B, C]. Además, insertó un campo eléctrico formado por dos láminas metálicas cargadas, una positiva (ánodo) y otra negativamente (cátodo). Si sólo se conectara el campo eléctrico, las partículas del haz serían repelidas por la placa negativa superior y atraídas por la placa positiva inferior, llevando el haz hacia abajo.
Supongamos que el haz de rayos catódicos fuera desviado primero hacia arriba (A) por el campo magnético. Entonces, Thomson variaba poco a poco la intensidad del campo eléctrico entre las placas, haciendo bajar paulatinamente el punto de llegada a la pantalla, hasta que el haz arribaba al centro de la misma (B).
En ese momento, la fuerza ejercida por el campo magnético (hacia arriba) sobre las partículas se igualaba con aquélla debida al campo eléctrico (hacia abajo).
Esta igualación de fuerzas permitió a Thomson escribir una ecuación de la que obtuvo el cociente de la carga, (e), entre la masa, (m), de las partículas de los rayos catódicos, con sólo medir la naturaleza de la trayectoria circular en el campo magnético y la magnitud de ambos campos cuando se lograba el equilibrio.
Después de experimentar con electrodos de distintos metales y con diversos gases en el interior del tubo, los resultados del cociente e/m, eran prácticamente constantes.
Aquí J. J. Thomson considera que si la carga de las partículas es la unidad de electricidad mencionada por Stoney, y que para el hidrógeno como ya se menciono da una relación de 96490 C por gramo (aproximadamente 1x105 C por gramo), entonces las partículas que forman los rayos catódicos poseen una masa aproximadamente mil veces menor (1x103) [experimentos posteriores ponen de manifiesto que en realidad la masa de 1e– es de 1/1837 la del átomo de hidrógeno. Por lo tanto e/m = 1x103 C/g] que el átomo de hidrógeno, es decir, son partículas subatómicas, son partículas constituyentes de los átomos.
La e/m, actualmente conocido es:
(1) e/m = 1.7588 x 1011 Coulomb sobre kilogramo
En aquel tiempo se sabía que ese valor para el ion hidrógeno, H+, era 1837 veces mayor:
(2) (e/m) H+ = 9.5724 x 107 C/kg
Thomson anunció sus resultados el 30 de abril de 1897:
... el cociente de la carga a la masa de los constituyentes de los rayos catódicos es por lo menos 1000 veces mayor que el correspondiente al ion hidrógeno, el átomo más ligero conocido.
La conclusión es que si ambas partículas poseían la misma carga, la masa de las de los rayos catódicos era 1837 veces menor que la del ion más ligero, el H+. Por lo tanto dichas partículas eran más ligeras que cualquier átomo y por consiguiente, eran partículas subatómicas.
Tiempo después, Joseph John Thomson escribía: "Esos portadores eléctricos son cierto tipo de átomos primordiales a los que llamaré "corpúsculos", por brevedad".
Por estos experimentos, a Thomson se le reconoce como el descubridor de la primera partícula subatómica, la que posteriormente recibió el nombre de electrón.
El electrón es una partícula subatómica que tiene carga eléctrica negativa.
En 1911, Robert Millikan (1868 –1953)obtuvo el valor exacto de su carga.
(3) e = 1.6022 x 10–19 C
Si despejamos la masa del electrón de la ecuación (1) y sustituimos el valor de la carga de la (3), podemos obtener la masa de un electrón:
(4) m = 9.109 x 10– 31kg
La que, comparada con la masa del protón, 1.67265 x 10–27 kg, resulta ser 1837 veces menor.
A estas partículas de carga negativa y pequeña masa se les llamo electrones, como sugirió G. J. Stoney.
El modelo atómico de Dalton, desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e–). El siguiente modelo del átomo debe entonces incluir a los electrones.
Es conveniente mencionar aquí que en realidad son dos modelos atómicos: el de Lord Kelvin William Thomson y el de Sir Joseph John Thomson.
El primer modelo atómico del siglo XX, fue propuesto porLord Kelvin William Thomson en 1902, después de conocerse la existencia del electrón.
"…cuando puede medirse aquello de lo que se habla y expresarlo en números, ya se sabe algo sobre ello; pero cuando no puede medirse, cuando no puede expresarse en números su conocimiento es pobre e insatisfactorio" Lord Kelvin
Modelo atómico de Kelvin Thomson
El modelo decía Lord Kelvin, debe explicar la estabilidad de los átomos. Es difícil imaginar una pequeñísima entidad material o "corpúsculo", como lo denomino por brevedad J.J. Thomson.
Este modelo simple de átomo explicaba bastante bien la valencia química, la emisión de partículas beta por los núcleos de elementos radioactivos, etc.
La primera tentativa de construir un modelo físico de un átomo la realizó William Thomson en 1867 y fue inspirada por un trabajo que escribió Hermann von Helmholtz (1821–1894) sobre vórtices en 1858 traducido por Peter G. Tait (1831–1901), quien ilustró las ideas de Helmholtz utilizando anillos de humo.
Lord Kelvin opinaba que no había nada sólido en lo material, que todo era una gran ilusión alimentada por una falsa realidad; disentía de sus contemporáneos y la idea de que los átomos fueran algo sólido le parecía ridícula. Ponía el ejemplo de un anillo de humo que, al girar, guardaba su consistencia sin desarmarse.
Así como ese anillo en vórtice daba una apariencia de solidez, gracias a la ilusión dada por el movimiento giratorio, del mismo explicaba que los átomos también eran anillos en vórtice, pues se comportaban de la misma manera y proclamó que todas las propiedades de esas pequeñas partículas derivaban de ese movimiento giratorio en forma de vórtice, en medio del éter.
Su concepto de átomo era simple, un mero vórtice de energía cuyo movimiento provocaba la aparición de materia dando la impresión de algo tangible, siendo en última instancia, la materia una mera fachada que escondía energía en movimiento.
Lord Kelvin estaba impresionado por la “estabilidad” de los aros de humo, y por sus propiedades vibracionales... La línea principal del vórtice está compuesta de las mismas partículas sin romperse... para el efecto, Lord Kelvin diseñó experimentos con humo de cigarrillos, formando aros. Cuando dos aros de humo se lanzan en sucesión, pueden interactuar sin romperse, manteniéndose en la misma dirección. Del mismo modo pensó Kelvin respecto a los átomos, como “vórtices” en el éter. En el aire, los vórtices se disipan pronto, pero en un fluido ideal, como el éter, los vórtices durarían eternamente..!!!
¿Cómo explicar la variedad de átomos?
En 1867, Lord Kelvin presentó ante la Real Sociedad Científica de Edimburgo un trabajo sobre “nudos” entre vórtices. La infinita variedad de “nudos” posibles era más que suficiente para explicar la gran variedad de átomos en la naturaleza...
Cuando J. J. Thomson descubre el electrón en 1897, se empezaron a desarrollar diferentes modelos del átomo, ajenos a la idea de los vórtices....
Alfred Mayer, en 1878, presentó un experimento denominado "magnetos flotantes" en el cual agujas magnetizadas eran introducidas en corchos. Estos corchos se colocaban flotando en agua. Entonces se colocaba un magneto, con el polo sur colocado directamente encima de ellos.
La idea era determinar qué patrones de equilibrio se pueden formar con diferente número de agujas...
Encontró que 3 magnetos forman un triángulo. Cuatro forman un cuadrado y 5 un pentágono...Pero cuando usa 6 magnetos, uno se acomoda en el centro y los demás forman un pentágono. Para más magnetos, se forma otra capa externa... Lord Kelvin inmediatamente respondió que estos resultados debían dar pistas acerca de los vórtices atómicos.... y decidió estudiar más sobre la estabilidad de los átomos que tuvieran de uno a seis electrones.
Para muchos electrones un solo anillo no sería estable aunque girase, así que propuso varios anillos girando unos dentro de otros.
Para demasiados electrones (átomos pesados) se tendrían que emitir algunos para recuperar estabilidad, lo que explicaba el decaimiento radiactivo beta, que ya se conocía en esas fechas
James Clerk Maxwell (1931-1879), escribió, la teoría del vórtice era muy superior a sus predecesoras, señalando que:
“... el anillo de vórtice de Helmholtz, que Thomson concibe como la verdadera forma del átomo, cumple con varias condiciones en mayor grado que cualquier otra concepción del átomo anunciada hasta aquí....”
Es importante indicar también que Lord Kelvin propuso que en su estructura de anillos se encontraba la respuesta a la valencia química e introdujo los conceptos de aceptores y donadores de electrones.
La importancia que reviste este hecho por sí solo, representa un avance en la concepción de la estructura del átomo, y sirve de base para los posteriores razonamientos sobre los fenómenos que fueron encontrados por otros investigadores.
Con los métodos modernos de análisis basados en los crecientes adelantos científicos y técnicos se puede conocer en detalle cuáles son los diferentes elementos que forman una estructura química y, más aún, saber exactamente cómo están unidos los átomos entre sí.
La microscopia electrónica moderna permite obtener fotografías directas de las estructuras moleculares y de los materiales continuos. La difracción de rayos X de cristales, por otro lado, nos permite tener la información de las longitudes y los ángulos de enlace necesaria para representar las moléculas en tres dimensiones.
La resonancia magnética nuclear es una técnica analítica poderosísima, porque permite conocer como están unidos los átomos en las moléculas, saber el número de átomos vecinos y su clase. Puede utilizarse para estudiar casi todos los elementos de la Tabla Periódica. Más aún, permite conocer el comportamiento de las moléculas en solución y es posible deducir las estructuras moleculares. Pero voy a terminar esta primera parte con el modelo de J.J. Thomson.
Modelo atómico de J.J.Thomson
Después 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 o pudín (de la analogía del inglés plum-pudding model).
El modelo atómico de Thomson, también conocido como el modelo del pudín con pasas.
Thomson, propuso que el átomo debe contener los electrones, de algún modo inmersos en una esfera de carga positiva... aún cuando,Jean B. Perrin, sugiere que los electrones deben estar en la superficie de la esfera.
Entremos en detalles, 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 pudín con pasas. 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.
El átomo propuesto tendría una carga total nula y los electrones se distribuirían dentro de la esfera positiva de modo de minimizar las repulsiones entre ellos.
Se cuenta que J. J. Thomson imaginó este modelo de un postre que disfrutaba durante la cena de Navidad de 1906.
Thomson concluyo:
1. El átomo se puede romper!!
2. El átomo tiene estructura
3. Los electrones se encuentran “suspendidos” en un campo eléctrico de carga positiva
4. El átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un átomo positivo, como las pasas en un pudín.
5. El panqué o pudín representaba la carga positiva y contenía la mayor parte de la masa del átomo, mientras que las pasas eran los electrones, que estaban uniformemente distribuidos a lo largo del panqué, para que todo el átomo fuera eléctricamente neutro.
6. El átomo no deja de ser un sistema material que contiene una cierta cantidad de energía interna, ésta provoca un cierto grado de vibración de los electrones contenidos en la estructura atómica. (Desde el punto de vista anterior, puede interpretarse que el modelo atómico de Thomson es un modelo dinámico como consecuencia de la movilidad de los electrones en el seno de la citada estructura).
7. Si hacemos una interpretación del modelo atómico desde un punto de vista más macroscópico, puede definirse una estructura estática para el mismo dado que los electrones se encuentran inmersos y atrapados en el seno de la masa que define la carga positiva del átomo.
En dicho modelo, Se pensaba que los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de un pudín de carga positiva se postulaba con una nube de carga positiva.
Este modelo fue superado tras el experimento de Rutherford, cuando se descubrió el núcleo del átomo.
Muchos de los postulados establecidos en esta época, condujeron a una nueva interpretación de la naturaleza.
Para concluir ¿Qué es un átomo?
El átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.
Recuerden siempre que… intentar significa arriesgar, arriesgar significa probablemente perder, perder significa aprender, aprender significa siempre ganar.
Muy Buen Éxito
