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Un átomo (Griego άτομον desde ά: no y τομον: divisible) es una estructura submicroscópica que se encuentra en toda la materia ordinaria. Originalmente se creía que el átomo era la partícula indivisible de materia más pequeña posible. Más tarde, se descubrió que los átomos estaban compuestos de partículas subatómicas aún más pequeñas. Consistente en un núcleo cargado positivamente rodeado por una nube de electrones cargados negativamente, los átomos exhiben la dualidad de positividad y negativo que es característica de todos los seres existentes. Los átomos son los bloques de construcción fundamentales de la materia. Se pueden clasificar en elementos y combinarse en proporciones definidas para formar compuestos a través de enlaces iónicos o covalentes. En las reacciones químicas no se crean ni destruyen, y se dice que se conservan.

Teoría atómica

Estructura atomica

Los átomos se componen de tres tipos principales de partículas subatómicas:

  • electrones, que tienen una carga negativa;
  • protones, que tienen una carga positiva; y
  • neutrones, que no tienen carga.

Los protones y los neutrones juntos forman el núcleo del átomo; Una región pequeña, densa y cargada positivamente en el centro del átomo donde reside la mayor parte de la masa del átomo. Los protones y los neutrones están compuestos por partículas más pequeñas llamadas quarks. Los quarks, y el núcleo mismo, se mantienen unidos por la fuerte interacción. Esta es una de las cuatro interacciones del universo físico. Los electrones rodean el núcleo en una región difusa de carga negativa que es mucho más grande que el núcleo mismo y es responsable del tamaño del átomo. Los cálculos de mecánica cuántica nos muestran que estos electrones tienen una estructura orbital responsable de las propiedades físicas y químicas del átomo.

Cada tipo de partícula elemental también tiene una antipartícula correspondiente (ver física de partículas). Por lo tanto, se pueden formar átomos de antimateria, compuestos de antielectrones, antiprotones y antineutrones.

Tamaño atómico

El tamaño de un átomo no se define fácilmente ya que los orbitales de los electrones gradualmente van a cero a medida que aumenta la distancia desde el núcleo. Para los átomos que pueden formar cristales sólidos, la distancia entre núcleos adyacentes puede dar una estimación del tamaño del átomo. Para los átomos que no forman cristales sólidos se utilizan otras técnicas, incluidos los cálculos teóricos. Como ejemplo, el tamaño de un átomo de hidrógeno se estima en aproximadamente 1.2 × 10-10metro. Compare esto con el tamaño del protón, que es la única partícula en el núcleo del átomo de hidrógeno que es aproximadamente 0.87 × 10-15metro. Así, la relación entre los tamaños del átomo de hidrógeno a su núcleo es de aproximadamente 100.000. Los átomos de diferentes elementos varían en tamaño, pero los tamaños son aproximadamente los mismos dentro de un factor de aproximadamente 2. La razón de esto es que los elementos con una gran carga positiva en el núcleo atraen a los electrones al centro del átomo con mayor fuerza.

Elementos e isótopos

Los átomos generalmente se clasifican por su número atómico, que corresponde al número de protones en el átomo. El número atómico define qué elemento es el átomo. Por ejemplo, los átomos de carbono son aquellos átomos que contienen 6 protones. Todos los átomos con el mismo número atómico comparten una amplia variedad de propiedades físicas y exhiben el mismo comportamiento químico. Los diversos tipos de átomos se enumeran en la tabla periódica en orden creciente de número atómico.

El número de masa, el número de masa atómica o el número de nucleones de un elemento es el número total de protones y neutrones en un átomo de ese elemento, porque cada protón o neutrón tiene esencialmente una masa de 1 amu. El número de neutrones en un átomo no tiene efecto sobre qué elemento es. Cada elemento puede tener numerosos átomos diferentes con el mismo número de protones y electrones, pero con un número variable de neutrones. Cada uno tiene el mismo número atómico pero un número de masa diferente. Estos se llaman los isótopos de un elemento. Al escribir el nombre de un isótopo, el nombre del elemento es seguido por el número de masa. Por ejemplo, el carbono 14 contiene 6 protones y 8 neutrones en cada átomo, para un número de masa total de 14.

El átomo más simple es el átomo de hidrógeno, que tiene el número atómico 1 y consta de un protón y un electrón. El isótopo de hidrógeno que también contiene 1 neutrón se llama deuterio o hidrógeno-2; El isótopo de hidrógeno con 2 neutrones se llama tritio o hidrógeno-3.

La masa atómica enumerada para cada elemento en la tabla periódica es un promedio de las masas de isótopos que se encuentran en la naturaleza, ponderadas por su abundancia.

Valencia y unión

El comportamiento químico de los átomos se debe en gran medida a las interacciones entre electrones. Los electrones de un átomo permanecen dentro de ciertas configuraciones electrónicas predecibles. Los electrones caen en capas en función de su nivel de energía relativo, que generalmente se visualiza como su distancia media desde el núcleo. Los electrones en la capa más externa, llamados electrones de valencia, tienen la mayor influencia en el comportamiento químico. Los electrones centrales (aquellos que no están en la capa externa) juegan un papel, pero generalmente se trata de un efecto secundario debido a la detección de la carga positiva en el núcleo atómico.

Las funciones de onda orbitales atómicas del hidrógeno del átomo de hidrógeno. El número cuántico principal está a la derecha de cada fila y el número cuántico azimutal se denota con una letra en la parte superior de cada columna.

Cada capa, numerada desde la más cercana al núcleo (la más baja en energía), puede contener un número específico de electrones debido a su diferente subnivel y capacidad orbital:

  • Shell 1: capacidad de 2 electrones - s subnivel - 1 orbital
  • Shell 2: capacidad de 8 electrones - s y pags subniveles - 4 orbitales
  • Shell 3: capacidad de 18 electrones - s, pagsy re subniveles - 9 orbitales
  • Shell 4: capacidad de 32 electrones - s, pags, rey F subniveles - 16 orbitales

Para determinar la capacidad de electrones de un caparazón, la fórmula 2norte ² se utiliza, donde norte es el número de shell o el número cuántico principal. Los electrones llenan los orbitales y las capas desde adentro hacia afuera, comenzando con la capa uno. Cualquier capa ocupada que esté actualmente más hacia afuera es la capa de valencia, incluso si solo tiene un electrón.

La razón por la cual las capas se llenan en orden es que los niveles de energía de los electrones en las capas más internas son significativamente más bajos que los niveles de energía de los electrones en las capas externas. Entonces, si las capas internas no estuvieran completamente llenas, el electrón en una capa externa rápidamente "caería" en la capa interna (con la emisión de un fotón que eliminaría la diferencia en la energía).

El número de electrones en la capa de valencia más externa de un átomo gobierna su comportamiento de enlace. Por lo tanto, los elementos con el mismo número de electrones de valencia se agrupan en la tabla periódica de los elementos. Los elementos del grupo (es decir, la columna) 1 contienen un electrón en su capa externa; Grupo 2, dos electrones; Grupo 3, tres electrones; etc. Como regla general, cuantos menos electrones hay en la capa de valencia de un átomo, más reactivo es. Los metales del grupo 1 son, por lo tanto, muy reactivos, siendo el cesio, el rubidio y el francio el más reactivo de todos los metales.

Cada átomo es mucho más estable (es decir, menos energético) con una capa de valencia completa. Esto se puede lograr de dos maneras: un átomo puede compartir electrones con átomos vecinos (un enlace covalente), o puede eliminar electrones de otros átomos (un enlace iónico) Otra forma de enlace iónico involucra un átomo que da algunos de sus electrones a otro átomo; Esto también funciona porque puede terminar con una valencia completa al renunciar a su capa externa completa. Al mover electrones, los dos átomos se unen. Esto se conoce como enlace químico y sirve para construir átomos en moléculas o compuestos iónicos. Existen cinco tipos principales de enlaces:

  • enlaces iónicos;
  • enlaces covalentes;
  • coordinar enlaces covalentes;
  • enlaces de hidrógeno; y
  • enlaces metálicos

Historia

Teorías historicas

Demócrito y Leucipo, filósofos griegos del siglo V a.E.C., presentaron la primera teoría de los átomos (atomismo). Sostenían que cada átomo tenía una forma diferente, como un guijarro, que gobernaba las propiedades del átomo. Dalton y Avogadro redescubrieron las obras de Demócrito y Leucipo y sugirieron en el siglo XIX que la materia estaba compuesta de átomos, pero no sabían nada de su estructura. Esta teoría estaba en conflicto con la teoría de la divisibilidad infinita, que establece que la materia siempre se puede dividir en partes más pequeñas.

La controversia se estableció en 1911 cuando Perrin descubrió la metapartícula que hoy llamamos un átomo. Jean Perrin pensó que había encontrado los "atomos" de los que Demócrito hablaba y así llamó a sus partículas átomos.

Durante este tiempo, se pensó que los átomos eran la pieza de materia más pequeña posible. Sin embargo, más tarde se demostró que los átomos están formados por partículas subatómicas. Los experimentos de Thomson descubrieron el electrón, la primera de las partículas subatómicas descubiertas. Esto demostró que los átomos son realmente divisibles, y no los "atomos" indivisibles de los que habló Demócrito. El trabajo sobre la radiactividad hacia fines del siglo XIX también insinuó la divisibilidad de los átomos. Más tarde, los físicos inventaron un nuevo término para unidades indivisibles, a saber, partículas elementales, ya que la palabra átomo ya se había tomado y entró en uso común.

Al principio, se creía que los electrones se distribuían más o menos uniformemente en un mar de carga positiva (el modelo de pudín de ciruela). Sin embargo, un experimento realizado unos años más tarde por Rutherford demostró que los átomos son en su mayoría espacio vacío, con mucha masa concentrada en un núcleo. En el experimento de la lámina de oro, disparó partículas alfa (emitidas por el polonio) a través de una lámina de oro. Observó que la mayoría de las partículas pasaban directamente a través de la lámina sin desviarse (golpeando una pantalla fluorescente en el otro lado), pero que, sorprendentemente, un pequeño número se recuperó directamente (habiéndose acercado a un núcleo). Esto condujo al modelo planetario del átomo, en el cual los electrones orbitaban el núcleo como los planetas que orbitan el sol.

Posteriormente se descubrió que el núcleo contenía protones, y una mayor experimentación por parte de Rutherford descubrió que la masa nuclear de la mayoría de los átomos superaba el número de protones que poseía; Esto lo llevó a postular la existencia de neutrones, cuya existencia sería probada en 1932 por James Chadwick.

Más tarde, los experimentos de Max Planck y Albert Einstein demostraron que la energía se transfiere en pequeñas cantidades fijas conocidas como cuantos. Esto llevó a Bohr a proponer un modelo actualizado, en el que los electrones orbitaban el núcleo en círculos fijos. Debido a que su energía solo podía cambiar en cantidades fijas, no podían acercarse o alejarse del núcleo en espirales; solo podían dar saltos cuánticos de un círculo al siguiente.

Estudio de atomos

El estudio de los átomos se realizó por medios en gran medida indirectos durante el siglo XIX y principios del siglo XX. Sin embargo, en los últimos años, las nuevas técnicas han hecho que la identificación y el estudio de los átomos sean más fáciles y precisos. El microscopio electrónico, inventado en 1931, ha permitido tomar fotografías de átomos individuales reales. La microscopía de fuerza atómica es otra técnica mediante la cual se pueden visualizar átomos individuales. También existen métodos para identificar átomos y compuestos. El análisis elemental permite la identificación exacta de los tipos y cantidades de átomos en una sustancia.

Temas relacionados

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 27 de abril de 2016.

  • Todo sobre los átomos Jefferson Lab.
  • Cómo funcionan los átomos por howstuffworks.

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