Átomo

Átomo

Un átomo es la partícula más pequeña de la materia que tiene las propiedades que caracterizan a un elemento. El término ‘átomo’ proviene de la palabra griega que significa ‘indivisible’, según la teoría de Demócrito. Los átomos se combinan para formar moléculas, que luego interactúan para forma materia, ya sea en estado sólido, gaseoso o líquido.

Las investigaciones a lo largo del tiempo sugieren que los átomos sí son divisibles y que están compuestos por tres partículas: neutrones, protones y electrones, incluso, por elementos más diminutos, como los quarks. Sin embargo, hoy la compresión del átomo sigue estando en la palestra de la comunidad científica.

Descubrimiento e historia del átomo

Descubrimiento átomo

 

La teoría para el descubrimiento del átomo se remonta al 440 a. C. con Demócrito, un científico y filósofo griego.

Demócrito afirmó que la materia está formada por partículas muy pequeñas que no se pueden romper ni dividir, y creyó que estas partículas estaban separadas por un vacío. Por eso su representación de la materia se denomina modelo de discontinuidad.

Según Demócrito, la forma en que se distribuyen los átomos en la materia explicaría por qué una sustancia tiene propiedades diferentes de otra sustancia. Por ejemplo, el hecho de que el plomo sea más pesado que el corcho podría explicarse por el hecho de que los átomos están más apiñados allí.

Aproximadamente 100 años después, el filósofo Aristóteles se opuso a la idea de Demócrito. Según él, "no hay vacío", ya que la materia debe ocupar por completo el espacio que ocupa. Por eso su idea se llama modelo de continuidad.

Contrariamente a lo planteado por Demócrito, quien pensaba que los átomos eran partículas indivisibles, Aristóteles afirmaba que la materia es infinitamente divisible. Y, aunque en ese momento la teoría de Aristóteles obtuvo más credibilidad, hoy sabemos que el modelo de Demócrito se acerca más a la realidad.

Así, el conocimiento sobre la naturaleza del átomo creció lentamente hasta principios del siglo XX, cuando el físico británico Sir Ernest Rutherford logró uno de los primeros avances en 1911, y estableció que la masa del átomo se concentra en su núcleo mediante protones, partículas cargadas positivamente; y que los neutrones son partículas sin carga que se encuentran dentro de todos los núcleos atómicos.

También propuso que el núcleo tiene una carga positiva y está rodeado de electrones cargados negativamente, que había sido descubierto en 1897 por JJ Thomson, quien concluyó en 1904 que el átomo no es indivisible.

Esta teoría de la estructura atómica fue complementada por Niels Bohr en 1913. El modelo atómico de Bohr colocó los electrones en capas definidas o niveles cuánticos. En la actualidad, la comprensión del átomo sigue siendo un foco de atención para muchos científicos.

Estructura y partes

Estructura y partes de un átomo

Un átomo está formado por dos regiones: el núcleo, que se encuentra en el centro del átomo y contiene protones y neutrones, y la región exterior del átomo o (envoltura eléctrica), que mantiene sus electrones en órbita alrededor del núcleo.

Por lo tanto, los átomos están formados por tres partículas básicas llamadas protones, neutrones y electrones, que son responsables de la masa y carga de los átomos.

  • El núcleo o centro del átomo contiene protones que están cargados positivamente, y neutrones, sin carga.
  • Envolturas electrónicas: son las regiones más alejadas del átomo y contienen los electrones cargados negativamente que orbitan el núcleo. Estos átomos tienen diferentes propiedades según la disposición y el número de sus partículas básicas.
  • Masa atómica de los átomos:
    • Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, alrededor de 1,67 × 10-24 gramos. Aunque tienen una masa similar, los protones están cargados positivamente mientras que los neutrones no tienen carga. Por lo tanto, la cantidad de neutrones en un átomo contribuye significativamente a su masa, pero no a su carga.
    • Los electrones son mucho más pequeños en masa que los protones, y pesan solo 9,11 × 10-28 gramos, o aproximadamente 1/1800 de una unidad de masa atómica. Por lo tanto, no contribuyen mucho a la masa atómica total de un elemento. Los electrones contribuyen en gran medida a la carga del átomo, porque cada uno tiene una carga negativa similar a la carga positiva de un protón.
    • Volumen de átomos: teniendo en cuenta el tamaño de los protones, neutrones y electrones, la mayor parte del volumen de un átomo, más del 99%, es en realidad un espacio vacío. A pesar de todo este espacio vacío, los objetos sólidos no se atraviesan simplemente entre sí. Los electrones que rodean a todos los átomos están cargados negativamente y hacen que los átomos se repelan entre sí, impidiendo que los átomos ocupen el mismo espacio. Estas fuerzas intermoleculares evitan que una persona se caiga a través de un objeto como una silla, por ejemplo.

Partículas de un átomo

partículas de un átomo

Los átomos, que todavía a veces se presentan erróneamente como unidades más pequeñas de materia, están formados por fermiones, ‘partículas de materia’, unidas por bosones, ‘partículas de fuerza’.

  • El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones. Estos elementos son ensamblajes de quarks (hadrones bariónicos) de la familia de los fermiones.
  • Se mantienen unidos mediante el intercambio continuo de gluones, que pertenecen a la familia de los bosones.
  • Los electrones circulan alrededor del núcleo: estos leptones están unidos al núcleo por fotones (interacción electromagnética).

Gracias a los gluones, los quarks pueden ensamblar y formar partículas compuestas. Ya no hablamos de partículas elementales, sino de hadrones que son conjuntos de quarks.

Propiedades químicas y físicas

Propiedades químicas de un átomo

Las propiedades químicas de un átomo dependen únicamente del número y disposición de los electrones en su nube; todos los isótopos del mismo elemento tienen, por lo tanto, las mismas propiedades químicas. Sin embargo, la ligera diferencia en la masa de su núcleo hace que sus propiedades físicas difieran algo.

Los electrones en la nube atómica de un átomo no pueden comportarse de ninguna manera. Si no es posible asignarles trayectorias bien definidas, aún se puede describir el estado en el que se encuentra cada una gracias a cuatro propiedades: su energía, su momento angular, la proyección de este momento angular en una dirección y su espín.

La estructura de la nube atómica que resulta de la distribución de estas propiedades tiene dos consecuencias:

  • La distribución de los símbolos químicos en la tabla de Mendeléiev.
  • La naturaleza de las propiedades químicas de los diferentes elementos.

Todas las propiedades físicas de la materia: dureza, maleabilidad, ductilidad, transparencia, color, cambio de estado de temperatura, carácter conductor o aislante, así como todas sus propiedades químicas: ácido o base, oxidante o reductor, disolvente o soluto, se deben a los diferentes comportamientos adoptados por los electrones en las nubes atómicas.

Ahora se sabe cómo organizar estos átomos de tal manera que obtengan nuevas propiedades, como superconductividad a alta temperatura, propiedades magnéticas mejoradas, miniaturización de circuitos eléctricos o la posibilidad de almacenar información allí.

Características del átomo

  • En general, el tamaño de un átomo es del orden de 0,1 a 10 nanómetros, unidad de medición que representa una millonésima parte de un milímetro. El núcleo del átomo tiene un tamaño del orden de 10-14 metros, es decir,
    unas cien mil veces más pequeño que el tamaño del total del átomo.
  • La masa de un átomo depende del número de protones, neutrones, porque el 99,97% de la masa de un átomo está en su núcleo. De hecho, siendo la masa de los electrones casi nula, no se considera que éste determine la masa atómica.
  • El volumen de un átomo se compone esencialmente de vacío; las partículas más "imponentes" se encuentran concentradas en el núcleo.
  • Partículas subatómicas: los átomos están formados por un número diferente de estas partículas, lo que les confiere propiedades distintas detalladas en la tabla periódica.

Fusión y fisión atómica

fusión y fisión

Un átomo almacena energía en su núcleo, esta energía es liberada mediante las reacciones nucleares denominadas fisión y fusión atómica.

Fusión

La fusión nuclear involucra dos núcleos muy livianos que se combinan para formar un núcleo más pesado. Para que tenga lugar tal fusión, los núcleos deben acercarse entre sí hasta que la fuerza de atracción nuclear sea mayor que la fuerza de repulsión eléctrica entre los núcleos.

Tal fenómeno es posible solo cuando los núcleos viajan a velocidades muy altas. Por lo tanto, la fusión nuclear solo puede comenzar a temperaturas muy altas, del orden de varios millones de grados Celsius. Es por eso que, de forma natural, este tipo de reacción solo tiene lugar en el corazón de las estrellas, donde existen tales temperaturas. Artificialmente, es muy difícil reproducir esta reacción.

Fisión

El término ‘fisión’ proviene del latín fissus que significa ‘dividir’. Así, durante la fisión nuclear, algunos núcleos atómicos inestables se dividen en dos núcleos más ligeros en lugar de emitir una partícula atómica alfa o beta.

Este fenómeno tiene lugar de forma natural y espontánea en núcleos inestables muy pesados ​​que contienen muchos protones y neutrones. Sin embargo, también es posible inducir artificialmente la fisión nuclear en un reactor nuclear para producir calor y luego electricidad. La fisión nuclear es también la reacción nuclear más utilizada por los humanos.

Conceptos relacionados

concepto de un átomo

Otros conceptos fundamentales relacionados con los átomos son: moléculas, número atómico, número de masa, Isótopos, Isóbaros e Isótonos. A continuación se detalla cada uno de ellos.

Molécula

Las entidades químicas que nos rodean son moléculas, es decir combinaciones de elementos (átomos) de diversa naturaleza y número. Estos elementos se combinan entre sí para formar moléculas y se crean vínculos de diferentes puntos fuertes entre los elementos.

Todo sistema mecánico tiende a un estado de energía más bajo, donde dos o más elementos se unirán para formar una molécula a condición de que esta última produzca una entidad química más estable que los elementos de partida.

Sin embargo, la espontaneidad termodinámica no es el único factor a considerar para explicar el destino de una reacción química; también es necesario en particular, que la reacción pueda tener lugar a una velocidad (cinética) apreciable.

La molécula representa, a escala microscópica, la parte más pequeña de un cuerpo capaz de existir en estado libre en la naturaleza mientras mantiene todas las propiedades características de la sustancia.

Con raras excepciones, la molécula es un conjunto de al menos dos elementos idénticos o diferentes.

  • Cuerpos simples: moléculas formadas por elementos idénticos, por ejemplo el hidrógeno (H2), el nitrógeno (N2), el dioxígeno (O2), el flúor (F2), el cloro (Cl2), entre otros.
  • Cuerpos compuestos: moléculas formadas por elementos de diferente naturaleza, por ejemplo el agua (H2O), el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el ácido acético (CH3COOH).

Número atómico

El número atómico es el número de protones en un elemento. Los átomos neutros de un elemento contienen el mismo número de protones y electrones. Así, el número de protones determina el número atómico (Z) de un elemento y permite distinguir un elemento de otro.

Por ejemplo, el número atómico del carbono (Z) es 6 porque tiene 6 protones, mientras que el número de neutrones puede variar para producir isótopos, que son átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones.

El número de electrones también puede ser diferente en los átomos del mismo elemento, produciendo iones (átomos cargados). Por ejemplo, el hierro (Fe) puede existir en estado neutro o en los estados iónicos +2 y +3.

Número másico

El número de masa de un elemento (A) es la suma del número de protones y el número de neutrones, mientras que la baja contribución de la masa de los electrones no se tiene en cuenta en este cálculo. Esta aproximación de masa se puede utilizar para calcular fácilmente el número de neutrones en un elemento simplemente restando el número de protones del número de masa.

Tanto los protones como los neutrones pesan aproximadamente una unidad de masa atómica, o UMA. Los isótopos del mismo elemento tendrán el mismo número atómico pero diferentes números de masa.

Isótopos

Dos átomos con el mismo número de protones y diferente número de neutrones son isótopos de este elemento.

  • Ejemplo: todos los átomos de uranio tienen 92 protones. Existen dos isótopos en la naturaleza: el uranio 235 con 143 neutrones (235 = 92 + 143) y el uranio 238 con 146 neutrones (238 = 92 + 146).

Un isótopo se llama por el nombre de su elemento químico asociado con el número total de sus nucleones, lo que da, por ejemplo, para el carbono: carbono 12 (12C), carbono 13 (13C) y carbono 14 (14C).

Isóbaros

La isobara designa dos átomos cuyo número total de nucleones (protones más neutrones) es idéntico.

  • Ejemplo: el carbono 14 y el nitrógeno 14 tienen ambos el mismo número de nucleones: 14. El carbono tiene 6 protones y 8 neutrones (6 + 8 = 14) y el nitrógeno tiene 7 protones y 7 neutrones (7+ 7 = 14).

Isótonos

Aquí, es lo contrario del isótopo: el número de neutrones que es idéntico y el número de protones que es diferente. Por lo tanto, dos isótonos son dos elementos químicos diferentes.

  • Ejemplo: el carbono 13 tiene 6 protones y 7 neutrones, y el nitrógeno 14 tiene 7 protones y también 7 neutrones.
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