TEORÍA ESTRUCTURA ATÓMICA

La teoría atómica y la estructura de los átomos

• Objetivos de aprendizaje
• Indicar la teoría atómica moderna.
• Describir cómo se construyen los átomos.

La pieza más pequeña de un elemento que mantiene la identidad de ese elemento se llama átomo. Los átomos individuales son extremadamente pequeños. Se necesitarían unos cincuenta millones de átomos seguidos para hacer una línea de 1 cm de largo. El periodo al final de una oración impresa tiene varios millones de átomos en ella. Los átomos son tan pequeños que es difícil creer que toda la materia esté hecha de átomos, pero lo es.

La teoría atómica moderna, propuesta alrededor de 1803 por el químico inglés John Dalton, es un concepto fundamental que establece que todos los elementos están compuestos por átomos. Anteriormente, definimos un átomo como la parte más pequeña de un elemento que mantiene la identidad de ese elemento. Los átomos individuales son extremadamente pequeños; incluso el átomo más grande tiene un diámetro aproximado de sólo 5.4 × 10 −10 m. Con ese tamaño, toma más de 18 millones de estos átomos, alineados uno al lado del otro, para igualar el ancho de tu dedo meñique (aproximadamente 1 cm).

Dalton estudió los pesos de diversos elementos y compuestos. Se percató de que la materia siempre se combina en proporciones fijas basadas en el peso, o volumen en el caso de los gases. Los compuestos químicos siempre contienen la misma proporción de elementos en masa, independientemente de la cantidad, lo que proporcionó un mayor apoyo a la ley de Proust de proporciones definidas. Dalton también observó que podría haber más de una combinación de dos elementos.

A partir de sus experimentos y observaciones, así como del trabajo de pares de su tiempo, Dalton propuso una nueva teoría del átomo. Esto más tarde se conoció como la teoría atómica de Dalton. Los principios generales de esta teoría fueron los siguientes:

• Toda la materia está compuesta por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.
• Los átomos de un elemento dado son idénticos en tamaño, masa y otras propiedades. Los átomos de diferentes elementos difieren en tamaño, masa y otras propiedades.
• Los átomos no pueden ser subdivididos, creados o destruidos.
• Los átomos de diferentes elementos pueden combinarse en simples proporciones de números enteros para formar compuestos químicos.
• En las reacciones químicas, los átomos se combinan, separan o reordenan.

La teoría atómica de Dalton ha sido ampliamente aceptada por la comunidad científica, con la excepción de tres cambios. Sabemos ahora que (1) un átomo puede subdividirse aún más, (2) todos los átomos de un elemento no son idénticos en masa, y (3) usando técnicas de fisión y fusión nuclear, podemos crear o destruir átomos cambiándolos en otros átomos.

Estos conceptos forman la base de la química. Aunque la palabra átomo proviene de una palabra griega que significa “indivisible”, ahora entendemos que los átomos mismos están compuestos por partes más pequeñas llamadas partículas subatómicas. La primera parte que se descubrió fue el electrón, una diminuta partícula subatómica con carga negativa. A menudo se representa como e −, con el superíndice correcto que muestra la carga negativa. Posteriormente, se descubrieron dos partículas más grandes. El protón, una partícula subatómica con carga positiva. es una partícula subatómica más masiva (pero aún diminuta) con una carga positiva, representada como p +. El neutrón es una partícula subatómica con aproximadamente la misma masa que un protón pero sin carga. Se representa como n o n 0. Ahora sabemos que todos los átomos de todos los elementos están compuestos por electrones, protones y (con una excepción) neutrones. La tabla2.1.1$\mathrm{2.1.}1$ resume las propiedades de estas tres partículas subatómicas.

Tabla2.1.1$\mathrm{2.1.}1$: Propiedades de las tres partículas subatómicas

Nombre	Símbolo	Masa (aprox.; g)	Masa (aprox.; amu)	Cargar
Protón	p +	1.673 × 10 −24	1.0073	+1
Neutrón	n, n 0	1.675 × 10 −24	1.0087	ninguno
Electron	e −	9.109 × 10 −28	5.486 × 10 −4	—1

Los átomos y las partículas subatómicas son tan pequeños que no tiene mucho sentido medir sus masas en gramos. Una unidad más útil para medir la masa atómica es la unidad de masa atómica (amu$\text{amu}$), donde 1 amu = 1.660539 × 10 −24 g o una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12. Como puede ver en la tabla anterior, la masa de 1 protón y 1 neutrón son cada una de 1 amu en este sistema. Carbon-12 contiene seis protones y seis neutrones y se le asigna una masa de exactamente 12 amu.

Figura2.1.1$\mathrm{2.1.}1$: Los electrones son mucho más pequeños que los protones o neutrones. Si un electrón fuera la masa de un centavo (derecha), ¡un protón o un neutrón tendrían la masa de una gran bola de boliche (izquierda)!

¿Cómo están dispuestas estas partículas subatómicas en átomos? No están dispuestos al azar. Los experimentos de Ernest Rutherford en Inglaterra en la década de 1910 apuntaron a un modelo nuclear con átomos que tiene los protones y neutrones en un núcleo central con los electrones en órbita alrededor del núcleo. Los protones y neutrones relativamente masivos se recogen en el centro de un átomo, en una región llamada núcleo del átomo (núcleos plurales). Los electrones están fuera del núcleo y pasan su tiempo orbitando en el espacio alrededor del núcleo. (Figura2.1.2$\mathrm{2.1.}2$). Debido a que los protones y neutrones son tan masivos comparados con los electrones2.1.1$\mathrm{2.1.}1$, Tabla, casi toda la masa de un átomo está contenida en el núcleo.

Figura2.1.2$\mathrm{2.1.}2$: La estructura del átomo. Los átomos tienen protones y neutrones en el centro, lo que hace que el núcleo, mientras que los electrones orbiten el núcleo.

Atomos de nota en acción

La evidencia de los átomos es tan grande que pocos dudan de su existencia. De hecho, los átomos individuales ahora se observan rutinariamente con tecnologías de última generación. Además, incluso se pueden utilizar para hacer imágenes bonitas o como demuestran las investigaciones de IBM en Video, el control de átomos individuales se puede utilizar para crear animaciones.

Video: Un niño y su átomo - La película más pequeña del mundo. A Boy and His Atom es un cortometraje animado stop-motion del 2012 lanzado por IBM Research. La película cuenta la historia de un niño y un átomo descarriado que se encuentran y se hacen amigos. Representa a un niño jugando con un átomo que toma diversas formas. Se hizo moviendo moléculas de monóxido de carbono vistas con un microscopio de túnel de barrido, un dispositivo que las magnifica 100 millones de veces. Estas moléculas se movieron para crear imágenes, las cuales luego se guardaron como fotogramas individuales para hacer la película.

La tabla periódica:

La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico (número de protones),​ por su configuración de electrones y sus propiedades químicas.

 Este ordenamiento muestra tendencias periódicas como elementos con comportamiento similar en la misma columna. En palabras de Theodor Benfey, la tabla y la ley periódica son el corazón de la química comparables a la teoría de la evolución en biología (que sucedió al concepto de la escala natural), y a los principios de termodinámica en la física clásica. Las filas de la tabla se denominan períodos y las columnas grupos. Algunos grupos tienen nombres, así por ejemplo el grupo 17 es el de los halógenos y el grupo 18 el de los gases nobles.

 La tabla también se divide en cuatro bloques con algunas propiedades químicas similares. Debido a que las posiciones están ordenadas, se puede utilizar la tabla para obtener relaciones entre las propiedades de los elementos, o pronosticar propiedades de elementos nuevos todavía no descubiertos o sintetizados. La tabla periódica proporciona un marco útil para analizar el comportamiento químico y es ampliamente utilizada en química y otras ciencias. 

 Dmitri Mendeléyev publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida, la desarrolló para ilustrar tendencias periódicas en las propiedades de los elementos entonces conocidos, al ordenar los elementos basándose en sus propiedades químicas,​ si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los átomos. Mendeléyev también pronosticó algunas propiedades de elementos entonces desconocidos que anticipó que ocuparían los lugares vacíos en su tabla. Posteriormente se demostró que la mayoría de sus predicciones eran correctas cuando se descubrieron los elementos en cuestión.

 La tabla periódica de Mendeléyev ha sido desde entonces ampliada y mejorada con el descubrimiento o síntesis de elementos nuevos y el desarrollo de modelos teóricos nuevos para explicar el comportamiento químico. La estructura actual fue diseñada por Alfred Werner a partir de la versión de Mendeléyev. Existen además otros arreglos periódicos de acuerdo a diferentes propiedades y según el uso que se le quiera dar (en didáctica, geología, etc.).​ Para celebrar el 150 aniversario de su creación, la UNESCO declaró 2019 como el Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos. Se han descubierto o sintetizado todos los elementos de número atómico del 1 (hidrógeno) al 118 (oganesón); la IUPAC confirmó los elementos 113, 115, 117 y 118 el 30 de diciembre de 2015,10​ y sus nombres y símbolos oficiales se hicieron públicos el 28 de noviembre de 2016.1​ Los primeros 94 existen naturalmente, aunque algunos solo se han encontrado en cantidades pequeñas y fueron sintetizados en laboratorio antes de ser encontrados en la naturaleza. Los elementos con números atómicos del 95 al 118 solo han sido sintetizados en laboratorios. Allí también se produjeron numerosos radioisótopos sintéticos de elementos presentes en la naturaleza. Los elementos del 95 a 100 existieron en la naturaleza en tiempos pasados, pero actualmente no.11​ La investigación para encontrar por síntesis nuevos elementos de números atómicos más altos continúa.