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Modelos atomicos - modelo atomico de leucipo y democrito, modelo atomico de dalton, modelo atomico de thomson, modelo atomico de rutherford
MODELOS ATOMICOS
Un modelo atómico es
una representación molecular de un atomo, que
trata de explicar su cambio de propiedades. De ninguna manera debe ser
interpretado como un
diagrama de un atomo, sino mas bien como el diagrama conceptual de su
funcionamiento. A lo largo del tiempo existieron varios
modelos atómicos y algunos mas elaborados que otros.
MODELO ATOMICO DE LEUCIPO Y DEMOCRITO
El atomismo mecanicista, ademas de ser uno de los principios de
la química, es un popular sistema filosófico que
tuvo sus orígenes en Grecia en el siglo V
A.C., mientras que en la India se lo ubica entre el
año 200 y 100 A.C., que sostiene que el universo se encuentra
compuesto por combinaciones de pequeñas partículas indivisibles
conocidas como atomos, término que en griego refiere que no se
puede dividir. De acuerdo al atomismo, los atomos son
unas partículas materiales e indestructibles que no poseen ningún
tipo de cualidad, distinguiéndose entre sí nada mas que
por la forma y la dimensión que presentan cada uno, mientras tanto, sus
diversas combinaciones en el vacío son las que constituyen los
diferentes cuerpos.
En el siglo V a. C., Leucipo sostenía que había un solo tipo de materia y pensaba que si dividíamos
la materia en partes cada vez mas pequeñas, obtendríamos
un trozo que no se podría cortar mas. Demócrito llamo a estos trozos ATOMOS (“sin división”).
La filosofía atomista de Leucipo y Demócrito podría
resumirse en
1.- Los atomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles
2.- Los atomos se diferencian en suforma y tamaño
3.- Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de
los atomos
MODELO ATOMICO DE DALTON
Aproximadamente por el año 1808, Dalton define a los
atomos como la unidad constitutiva de los elementos (retomando las ideas
de los atomistas griegos). Las ideas basicas de su teoría,
publicadas en 1808 y 1810 pueden resumirse en los siguientes puntos:
La materia esta formada por partículas muy pequeñas para
ser vistas, llamadas atomos.
Los atomos de un elemento son idénticos
en todas sus propiedades, incluyendo el peso.
Diferentes elementos estan formados por diferentes
atomos.
Los compuestos químicos se forman de la combinación de
atomos de dos o mas elementos, en un
atomo compuesto; o lo que es lo mismo,
un compuesto químico es el resultado de la combinación
de atomos de dos o mas elementos en una proporción
numérica simple.
Los atomos son indivisibles y conservan sus características durante las reacciones químicas. En cualquier reacción química, los
atomos se combinan en proporciones numéricas simples.
La separación de atomos y la unión se realiza en las
reacciones químicas. En estas reacciones, ningún atomo se
crea o destruye y ningún atomo de un
elemento se convierte en un atomo de otro elemento.
A pesar de que la teoría de Dalton
era errónea en varios aspectos, significó un
avance cualitativo importante en el camino de la comprensión de la
estructura de la materia. Por supuesto que la aceptación del modelo de Dalton no fue inmediata,
muchos científicos se resistieron durante muchos años areconocer
la existencia de dichas partículas.
Ademas de sus postulados Dalton empleó
diferentes símbolos para representar los atomos y los
atomos compuestos, las moléculas.
Sin embargo, Dalton
no elabora ninguna hipótesis acerca de la estructura de los
atomos y habría que esperar casi un
siglo para que alguien expusiera una teoría acerca de la misma.
Otras Leyes que concordaban con la teoría de Dalton
Ley de la Conservación de la Masa: La Materia no se crea ni se destruye,
sólo se transforma.
Ley de las Proporciones Definidas: Un Compuesto Puro siempre contiene los
mismos elementos combinados en las mismas proporciones
en masa.
Ley de las Proporciones Múltiples: Cuando dos elementos A y B forman
mas de un compuesto, las cantidades de A que se
combinan en estos compuestos, con una cantidad fija de B, estan en
relación de números pequeños enteros.
MODELO ATOMICO DE THOMSON
Thomson sugiere un modelo atómico que
tomaba en cuenta la existencia del
electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era
estatico, pues suponía que los electrones estaban en reposo
dentro del
atomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de
fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. Posteriormente,
el descubrimiento de nuevas partículas y los experimentos llevado a
cabo por Rutherford demostró la
inexactitud de tales ideas.
Para explicar la formación de iones,
positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura
atómica, Thomson ideó un atomo
parecido a unpastel 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 atomo 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 ATOMICO DE RUTHERFORD
Basado en los resultados de su trabajo, que demostró la existencia
del núcleo atómico, Rutherford sostiene que casi la totalidad de
la masa del atomo se concentra en un núcleo central muy diminuto
de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del
núcleo describiendo órbitas circulares. Estos
poseen una masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa.
La carga eléctrica del núcleo y de los
electrones se neutralizan entre sí, provocando que el atomo sea
eléctricamente neutro.
El modelo de Rutherford
tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones
suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el
electrón terminaría describiendo órbitas en espiral,
precipitandose finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto
por su discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del
estudio del núcleo atómico, por
lo que a Rutherford se le conoce como
el padre de la era nuclear.
Ernest Rutherford estudió los componentes de la
radiación que ocurre espontaneamente en la Naturaleza.
Acontinuación se presenta una tabla resumiendo las
características de estos componentes:
En 1900 Rutherford, con la
colaboración de Geiger Marsden, soporta y verifica su teoría con
el experimento, hoy muy famoso, de la lamina de oro. El experimento era simple, bombardearon una placa de oro muy
delgada con partículas (ALFA) procedentes de una fuente radioactiva.
Colocaron una pantalla de Sulfuro de Zinc fluorescente por detras de la
capa de oro para observar la dispersión de las partículas alfa en
ellas. Según se muestra en la
siguiente figura:
Lo anterior demostró, que la dispersión de
partículas alfa con carga positiva, era ocasionada por repulsión
de centros con carga positiva en la placa de oro, igualmente se cumplía
con placas de metales distintos, pudiéndose concluir que cada
atomo contenía un centro de masa diminuto con carga positiva que
denomino núcleo atómico. La mayoría de las partículas
alfa atraviesan las placas metalicas sin desviarse, porque los
atomos estan constituidos, en su mayoría, por espacios
vacíos colonizados tan sólo por electrones muy ligeros. Las pocas
partículas que se desvían son las que llegan a las
cercanías de núcleos metalicos pesados con cargas altas (Figura N° 03).
Gracias a estos desarrollos experimentales de
Rutherford, éste pudo determinar las magnitudes de las cargas positivas
de los núcleos atómicos. Los calculos que se basan en los
resultados del
experimento indican que el diametro de la 'porción
desocupada' del atomo es de 10.000
a 100.000 veces mayor que el diametro del núcleo. Aspectos mas
importantes del Modelo atómico de Ernest Rutherford
El atomo posee un núcleo central en el que su masa y su carga
positiva.
El resto del
atomo debe estar practicamente vacío, con los electrones
formando una corona alrededor del
núcleo.
La neutralidad del
atomo se debe a que la carga positiva total presente en el
núcleo, es igualada por el número de electrones de la corona.
Cuando los electrones son obligados a salir, dejan a la estructura con carga
positiva (explica los diferentes rayos).
El atomo es estable, debido a que los electrones mantienen un giro alrededor del
núcleo, que genera una fuerza centrífuga que es igualada por la
fuerza eléctrica de atracción ejercida por el núcleo, y
que permite que se mantenga en su órbita.
El valor de la cantidad de energía contenida en un
fotón depende del
tipo de radiación (de la longitud de onda). En la
medida que la longitud de onda se hace menor, la cantidad de energía que
llevan es mayor.
En la región 7.5x1014 hasta 4.3x10-14, se encuentra el espectro visible,
con los colores violeta, azul, verde, amarillo y rojo.
Las regiones donde las frecuencias es mayor (longitud de onda
es menor), el contenido energético de los fotones, es grande en comparación
con otras zonas.
En el caso de la luz ultravioleta (U.V.) sus
radiaciones no se perciben a simple vista, pero conocemos su alto contenido
energético al actuar como
catalizador en numerosos procesos químicos.
= Longitud de onda: Distancia entre dos crestas en una onda (Longitud de
un ciclo)
C = Velocidad de la luz(2.998 x 108
cm/seg)
= Frecuencia: Número de ondas que pasan por un punto en
un segundo.
MODELO ATOMICO DE BOHR
El físico danés Niels Bohr (Premio Nobel de
Física 1922), postula que los electrones giran a grandes velocidades
alrededor del
núcleo atómico. Los electrones se disponen en
diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de
energía. El electrón puede acceder a un
nivel de energía superior, para lo cual necesita 'absorber'
energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el
electrón emita la energía absorbida (por ejemplo en forma de
radiación). Este modelo, si bien se ha perfeccionado con
el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear. Este
propuso una Teoría para describir la estructura atómica del Hidrógeno, que explicaba el espectro de
líneas de este elemento. A continuación se presentan los
postulados del
Modelo Atómico de Bohr:
El Atomo de Hidrógeno contiene un electrón y un
núcleo que consiste de un sólo protón. · El
electrón del
atomo de Hidrógeno puede existir solamente en ciertas
órbitas esféricas las cuales se llaman niveles o capas de
energía. Estos niveles de energía se hallan dispuestos
concéntricamente alrededor del núcleo. Cada nivel se
designa con una letra (K, L, M, N ) o un valor de n
(1, 2, 3, 4,).
El electrón posee una energía definida y
característica de la órbita en la cual se mueve. Un electrón de la capa K (mas cercana al
núcleo) posee la energía mas baja posible. Con el aumento
de la distancia del
núcleo, el radio delnivel y la energía del electrón en el nivel aumentan. El electrón no puede tener una energía que lo coloque
entre los niveles permitidos.
Un electrón en la capa mas cercana al
núcleo (Capa K) tiene la energía mas baja o se encuentra
en estado basal. Cuando los atomos se
calientan, absorben energía y pasan a niveles exteriores, los cuales son
estados energéticos superiores. Se dice entonces que los
atomos estan excitados.
Cuando un electrón regresa a un Nivel inferior
emite una cantidad definida de energía a la forma de un cuanto de luz.
El cuanto de luz tiene una longitud de onda y una
frecuencia características y produce una línea espectral
característica.
La longitud de onda y la frecuencia de un fotón producido por el paso de un
electrón de un nivel de energía mayor a uno menor en el
atomo de Hidrógeno esta dada por
Para Bohr el atomo sólo puede existir en un cierto número
de estados estacionarios, cada uno con una energía determinada.
La energía sólo puede variar por saltos sucesivos,
correspondiendo cada salto a una transición de un
estado a otro. En cada salto el atomo emite luz de frecuencia bien
definida dada por:
hv = | Ei - Ei |
De esta manera se explican los espectros atómicos, que en el caso del
Hidrógeno los niveles de energía posibles estan dados por
la fórmula:
E = - (h/R)/n2, (n = 1, 2, 3,. . . infinito)
h = 60625 x 10-34 Joule - seg, Const. de Plank
R = 1.10 x 107 m-1, Const. de Rydberg
El modelo de Niels Bohr, coincide con el propuesto por Rutherford, admite la
presencia de un núcleo positivo quecontiene, practicamente, toda
la masa del atomo, donde se encuentran presentes los protones y los
neutrones.
Los electrones con carga negativa, se mueven alrededor del núcleo
en determinados niveles de energía, a los que determinó estados
estacionarios, y les asignó un número entero positivo. El nivel
mas cercano tiene el número 1, le sigue el 2, como se citó
en parrafo de éste mismo enunciado (Modelo
atómico de Bohr).
Siempre que el electrón se mantenga en la órbita que le
corresponde, ni gana ni pierde energía.
Si un electrón salta de una órbita a otra capta o
libera energía en forma de fotones. La cantidad viene dada por la
diferencia de energía entre los dos (02) niveles.
La energía de cada nivel es mayor en la medida que se aleja del
núcleo; sin embargo, las diferencias entre los niveles van disminuyendo,
lo que permite que las transiciones electrónicas se produzcan con
facilidad.
El número de electrones de cada elemento en su estado
natural es característico, puesto que depende de su número
atómico. Estos electrones estaran distribuidos en
diferentes niveles energéticos que pueden funcionar como estaciones de
paso para aquellos que reciben suficiente energía para saltar de un nivel
a otro. Al devolverse, la luz que, difractada, produce
el espectro característico.
MODELO ATOMICO DE SOMMERFELD
Arnold Sommerfeld estudio el modelo de Bohr y lo modifico en 1915,
agregandole lo siguiente:
-El concepto de sub-nivel de energía. Un nivel
o capa de energía (Bohr) esta dividido en sub- niveles, que son
las regiones oespacios alrededor del
núcleo en donde se localizan realmente los electrones. El
nivel es un conjunto de sub-niveles, excepto el
primero que solo posee un sub-nivel (s).
-El movimiento de los electrones. Sommerfeld afirmo que los electrones se
movían tanto en forma elíptica como circular alrededor del núcleo.
De esta manera, la figura del atomo va adquiriendo su
forma actual, pues ahora el electrón tiene dos números
quanticos: el número quantico principal o nivel de
energía, y el número quantico orbital o subnivel de
energía. Sin embargo, esta teoría y modelo atómico eran
incompletos pues no explicaban otros aspectos importantes del electrón; así, varios
personajes continuaron investigando sobre la manera en que el electrón
estaba distribuido alrededor del
núcleo, resultando así la teoría y modelo atómico
actual o contemporaneo.
Así pues, el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld es sencillo pero
incompleto, pues el atomo sigue formado por un
núcleo positivo central (aún no hay neutrón) y por los
electrones, que giran alrededor del
núcleo, en forma circular y elíptica. El
número de protones es igual al número de electrones.
MODELO ATOMICO DE SCHRONDINGER
El modelo atómico de Schrödinger definía al principio los
electrones como
ondas de materia (dualidad onda-partícula), describiendo de este modo la
ecuación ondulatoria que explicaba el desarrollo en el tiempo y el
espacio de la onda material en cuestión. El electrón con su
caracter ondulatorio venía definido por una función de
ondas (Ψ), usando una ecuación de ondassencilla que no era
mas que una ecuación diferencial de segundo grado, donde
aparecían derivadas segundas de Ψ.
Cuando se resuelve esta ecuación, se ve que la función depende de
unos parametros que son los números cuanticos, como
se decía en el modelo de Bohr. De este modo, el
cuadrado de la función de ondas correspondía con la probabilidad
de encontrar al electrón en una región concreta, lo que nos
introducía en el Principio de Heisenberg. Es por esto, que en el modelo
de Schrödinger, aparece un concepto pare definir
la región del
espacio en la cual cabría mayor posibilidad de hallar al
electrón: el orbital.
De esta manera, el modelo atómico de Schrödinger
hacía una buena predicción de las líneas de emisión
espectrales, ya fuera de atomos neutros o ionizados.
También conseguía saber los cambios de los niveles de
energía, cuando existía un campo
magnético (efecto Zeeman) o eléctrico (efecto Stark).
Ademas de todo esto, el modelo conseguía dar explicación
al enlace químico, y a las moléculas
estables.
En conclusión, el modelo de Schrödinger, nos hace abandonar por
completo el concepto anterior de los electrones, que venían definidos
como pequeñísimas esferas cargadas que daban vueltas en torno al
núcleo, para dar paso a ver los electrones como una función de
onda, y añadiéndonos un útil concepto, el de orbital.
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