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ESTRUCTURA ATMICA DE LA MATERIA.

1. INTRODUCCIN. Desde la Antigedad, el ser humano se ha cuestionado de qu estaba hecha la materia. En la antigua Grecia dos concepciones filosficas compitieron por dar una interpretacin racional a esta cuestin:

a) Leucipo y su discpulo Demcrito consideraban que la materia estaba constituida por pequesimas partculas (no visibles a simple vista) que no podan ser divididas en otras ms pequeas. A estas partculas se las llam tomos, que en griego significa "indivisible".

b) Aristteles era partidario de la teora de los cuatro elementos, segn la cual toda la materia estara formada por la combinacin de cuatro elementos bsicos: aire, agua, tierra y fuego.

Las ideas de Demcrito sobre la materia fueron rechazadas por los filsofos de su poca, mientras que la teora de los cuatro elementos se acab imponiendo durante muchos siglos. Habran de transcurrir dos milenios para que la concepcin atmica fuera tomada de nuevo en consideracin. Ya en el tema anterior se estudi la teora cintico-corpuscular, surgida en el siglo XVIII, que supone que todos los materiales estn hechos de partculas inmensamente pequeas, dotadas de un cierto estado de movimiento (catico en los gases, y ms ordenado y restringido en slidos y lquidos). Si bien es una teora nacida para explicar el comportamiento de los gases y los estados de la materia (volumen, temperatura y presin de los gases, cambios de estado, etc.), no detalla la estructura interna de la materia, ni ciertos fenmenos derivados de tal estructura interna (composicin interna de las partculas, diferenciacin de partculas de distintas sustancias y de sus propiedades, naturaleza de las fuerzas de cohesin entre las partculas, combinacin de partculas (molculas y cristales), fenmenos elctricos de las partculas, etc.). Las limitaciones de la teora cintico-corpuscular hicieron necesaria una ampliacin de la misma, llevando a los cientficos a la elaboracin una teora paralela que la complementase. La labor de muchos cientficos, como Antoine Lavoisier, John Dalton y Dimitri Mendeleiev condujo a la elaboracin de la teora atmico-molecular de la materia, base de la moderna ciencia qumica.

(a) Teora cintico molecular. (b) Teora atmico molecular.

2. TEORA ATMICA. MODELOS ATMICOS.

2.1.- TEORA ATMICA DE DALTON. Gracias a diversos estudios experimentales, a principios del siglo XIX ya se tena conocimiento de distintos conceptos qumicos, como existencia de elementos y compuestos qumicos (Boyle y Lavoisier), el conocimiento de algunos elementos qumicos, las leyes bsicas de las reacciones qumicas (ley de la conservacin de la masa, leyes de las proporciones constantes, y ley de las proporciones mltiples), etc.

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Basndose en todo este conjunto de conocimientos, Dalton desarrolla en 1808 su modelo atmico, en base a las siguientes hiptesis: a) La materia est formada por minsculas partculas indivisibles llamadas tomos. b) Hay distintas clases de tomos, con diferentes masas y propiedades. Los tomos de un elemento son

todos iguales y presentan las mismas propiedades. Por el contrario, los tomos de distintos elementos son distintos y presentan distintas propiedades.

c) Los tomos son inmutables (no se pueden transformar de un tipo en otro). d) Los compuestos qumicos estn formados por la unin de un nmero entero de tomos de distintos

elementos, siempre en la misma proporcin. e) En las reacciones qumicas de sustancias, los tomos se separan, se combinan y se redistribuyen entre

las sustancias que reaccionan. Sin embargo, ningn tomo se crea, ni se destruye, ni se convierte en un tomo de otro elemento.

Como se sabe hoy, la teora atmica de Dalton era incompleta. Posteriormente se fueron descubriendo un conjunto de hechos cientficos que pondran de manifiesto importantes lagunas y errores en casi todas las hiptesis de la teora atmica, que hubieron de corregirse (naturaleza elctrica de la materia, indivisibilidad y estructura interna del tomo, los mecanismos de formacin de molculas, existencia de istopos, radioactividad, etc.). No obstante, estas modificaciones no significaron una ruptura radical con las propuestas de Dalton, sino una profundizacin y enriquecimiento de una teora incompleta. La teora atmica debe considerarse como uno de los pilares ms importantes de la qumica moderna

2.2.- MODELO ATMICO DE THOMSON. Algunos fenmenos de electrizacin de los cuerpos pusieron de manifiesto la naturaleza elctrica de la materia. Estos fenmenos elctricos son debidos a una propiedad de la materia llamada carga elctrica.

(a), (b) y (c): Dalton postul que la materia est formada por tomos. No intent describir la estructura o composicin de los tomos, ni tena idea de cmo era un tomo. Sin embargo, se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrgeno y el oxgeno, lo que slo se puede explicar con la idea de que los tomos de hidrgeno son diferentes de los tomos de oxgeno.

(d): esta hiptesis sugiere que para formar un determinado compuesto no solamente se necesitan los tomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un nmero especfico de dichos tomos. As, si se analizan distintas muestras de dixido de carbono gaseoso, en todas ellas se encontrar la misma proporcin de masa de carbono y oxgeno (y por tanto,

la misma cantidad de tomos de carbono y oxgeno)

(e): En esta reaccin una molcula de metano (CH4)

reacciona con 2 molculas de oxgeno (O2). Fruto de

la reaccin se produce dixido de carbono (CO2) y

agua (H2O). Notar que en la reaccin los tomos

slo se recombinan, no se crean nuevos tomos, ni desaparecen, ni se transforman.

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Existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Dos cuerpos que hayan adquirido una carga del mismo tipo se repelen, mientras que si poseen carga de distinto tipo se atraen. En general, la materia es elctricamente neutra, es decir, tiene la misma cantidad de cada tipo de carga. Sin embargo, los cuerpos pueden electrizarse, cargndose positivamente o negativamente si ganan o pierden cargas de alguno de los dos tipos.

Descubrimiento del electrn. En 1897, el cientfico ingls Thomson realizaba experimentos con rayos catdicos (rayos de luz que aparecen cuando un gas encerrado en un tubo de vidrio se somete a elevadas tensiones). Thomson descubri que tales rayos eran desviados por la accin de campos elctricos o magnticos, lo cual significaba que presentaban carga. Al estudiar las partculas que formaban estos rayos, Thomson observ que tales partculas siempre eran las mismas (presentaban la misma masa y cantidad de carga negativa), cualquiera que fuese el gas del interior del tubo. Tambin observ que dicha masa era mucho ms pequea que la masa de los tomos de los gases empleados. De esta forma, se demostr que los rayos estaban formados por una corriente de partculas cargadas negativamente, de masa mucho ms pequea que la de los tomos, que llam electrones.

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/catodicos.htm

El descubrimiento del electrn hizo que Thomson se plantease las siguientes cuestiones:

Los electrones son partculas ms pequeas que el tomo. Por tanto, los tomos no son indivisibles, ya que los electrones son partculas que forman parte de los tomos.

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/catodicos.htm

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En los tomos hay partculas con carga negativa llamadas electrones. La materia debe ser elctricamente neutra, lo cual implica que en el tomo deban existir cargas positivas que compensen la carga de los electrones.

Si las cargas negativas de los tomos pertenecen a los electrones, partculas de masa mucho ms pequea, la mayor parte de la masa del tomo se debe a las partculas con carga positiva.

Todo ello llev a Thomson a enunciar su propio modelo atmico, que tomaba en cuenta la existencia de del electrn como partcula subatmica, modificando la teora atmica de Dalton. El modelo atmico de Thomson representaba al tomo como una esfera formada por una masa fluida de baja densidad con

carga positiva, en la que se hallaban incrustados los electrones (modelo pudding de pasas o sandia). Casi la totalidad de la masa del tomo se concentraba en dicha masa fluida.

El modelo atmico de Thomson tambin explicaba la electrizacin positiva o negativa de la materia, mediante la prdida o ganancia de electrones. As, por ejemplo, cuando un tomo perda un electrn de su superficie, ste quedaba cargado elctricamente con una carga positiva. Anlogamente, si un tomo ganaba electrones, entonces quedaba cargado negativamente. A los tomos con carga positiva se les denomin cationes (porque son atrados por el ctodo o polo negativo) y a los tomos con carga negativa aniones (porque son atrados por el nodo o polo positivo).

2.3.- MODELO ATMICO DE RUTHERFORD. Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la direccin de Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del tomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lmina de oro con partculas alfa (ncleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Detrs de la lmina se coloc una placa fluorescente para estudiar las trayectorias de las partculas. Debido a la baja densidad del fluido que constitua el tomo, se esperaba que todas las partculas atravesasen la lmina de oro. Sin embargo, el experimento arroj resultados inesperados, ya que no todas las partculas atravesaban la lmina, sino que algunas resultaban desviadas, e incluso llegaban a rebotar. Como el propio Rutherford expres: el hecho es tan increble como si se disparase un proyectil de 40 cm contra una lmina de papel de seda, y el proyectil rebotase Evidentemente, tales resultados eran incom