Descubrimiento de las Partículas Subatómicas

El Electrón

En 1897, J.J. Thomson, utilizando tubos de descarga (pequeños tubos de vidrio que contenían gas a baja presión con dos elementos metálicos conectados a los polos positivo y negativo de una batería eléctrica), descubrió que en el interior de todos los átomos existían partículas cargadas negativamente. A estas partículas las denominó electrones.

El Neutrón

En 1931, James Chadwick descubrió una tercera partícula en los átomos que no poseía carga eléctrica, pero cuya masa era similar a la del protón. A esta partícula la llamó neutrón.

Evolución de los Modelos Atómicos

El Modelo Atómico de Thomson

Según el modelo de Thomson, el átomo era una gran masa de carga positiva (donde se encontraban los protones) en la que estaban insertados los electrones, como pasas en un pudín. El átomo era considerado neutro, ya que contenía tantos protones como electrones.

La Experiencia de la Lámina de Oro (Rutherford)

Hans Geiger y Ernest Marsden, colaboradores de Ernest Rutherford, llevaron a cabo un experimento crucial bombardeando una fina lámina de oro con partículas alfa. Observaron lo siguiente:

• La mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse.
• Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina y sufría una pequeña desviación.
• Una de cada 10.000 partículas alfa rebotaba y volvía hacia atrás.

Los científicos no entendían por qué algunas partículas alfa rebotaban. Rutherford explicó que esto solo podía ocurrir si la carga positiva del átomo estaba concentrada en una zona muy pequeña, a la que llamó núcleo. Cuando las partículas alfa chocaban contra esa zona, la repulsión entre cargas del mismo tipo hacía que salieran rebotadas.

El Modelo Atómico de Rutherford

Basado en los resultados de su experimento, Rutherford propuso que el átomo está formado por un núcleo muy pequeño donde se encuentran los protones y los neutrones. En este núcleo se concentra toda su carga positiva y casi toda su masa. Los electrones, por su parte, giran alrededor del núcleo formando la corteza.

Este modelo explicaba los resultados de la experiencia de la lámina de oro de la siguiente manera:

• Como la mayor parte del átomo está vacía, la mayoría de las partículas alfa que llegan a la lámina la atraviesan sin desviarse, ya que no encuentran ningún obstáculo.
• Una pequeña parte de las partículas pasa cerca de un núcleo y su trayectoria se desvía.
• Solo la pequeñísima proporción de partículas que choca directamente con un núcleo es repelida y vuelve hacia atrás.

Limitaciones del Modelo de Rutherford

A pesar de sus avances, el modelo de Rutherford no lograba explicar dos fenómenos importantes:

• La estabilidad del átomo (según la física clásica, los electrones en órbita deberían perder energía y caer al núcleo).
• El espectro de los átomos (no podía explicar por qué los átomos emitían o absorbían luz en longitudes de onda discretas).

El Modelo Atómico de Bohr

En 1913, Niels Bohr propuso un modelo que explicaba por qué los átomos eran estables y por qué se producían los espectros atómicos observados. Sus postulados principales fueron:

• El átomo está formado por un núcleo, donde se encuentran los protones y neutrones, y una corteza donde se localizan los electrones.
• Los electrones solo pueden moverse en determinadas órbitas o niveles de energía permitidos alrededor del núcleo. Aunque gire, el electrón posee una energía que es menor cuanto más cerca está del núcleo.
• Cuando un electrón pasa de una órbita a otra, absorbe o emite energía en forma de cuantos (fotones), lo que se observa en los espectros atómicos.

Este modelo también se conoce como el modelo de capas porque supone que los electrones de un átomo se organizan en capas o niveles de energía, y en cada capa tienen una energía específica.

El Modelo Atómico Actual (Mecánica Cuántica)

El modelo de Bohr fue refinado al observarse que los espectros atómicos presentaban más ‘rayas’ de las predichas, indicando la existencia de más niveles de energía. Aplicando la mecánica cuántica, Erwin Schrödinger desarrolló una ecuación que permitió describir la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio, y descubrió cuántos subniveles había en cada capa y cómo estaban distribuidos los electrones en cada uno de ellos.

Los Orbitales Atómicos

Un orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo en la que existe una probabilidad elevada de encontrar un electrón.

Localización de los Orbitales

Los orbitales se agrupan en capas o niveles de energía:

• Capa 1: Solo orbital s.
• Capa 2: Orbitales s y p.
• Capa 3: Orbitales s, p y d.
• Capa 4 y siguientes: Orbitales s, p, d y f.

Los orbitales del mismo tipo tienen la misma forma, aunque su tamaño es mayor cuanto mayor sea el número de la capa.

La Energía de los Orbitales

Todos los orbitales del mismo tipo que se encuentran en la misma capa tienen la misma energía (en átomos hidrogenoides). En átomos polielectrónicos, la energía también depende del tipo de orbital (s, p, d, f).

Configuración Electrónica

La configuración electrónica describe cómo están distribuidos los electrones alrededor del núcleo de un átomo. Como máximo, puede haber dos electrones en cada orbital.

Electrones de Valencia

Los electrones de valencia son los electrones más externos de un átomo y son los que determinan el comportamiento químico de los átomos. Cuando los orbitales s y p de la última capa están completos (es decir, suman ocho electrones), se dice que el átomo tiene la capa completa, lo que le confiere gran estabilidad.

Propiedades Periódicas de los Elementos

Las propiedades periódicas son características de los elementos químicos cuyos valores están relacionados con la posición que ocupa el elemento en el sistema periódico.

El Tamaño de los Átomos (Radio Atómico)

• En cada grupo, el tamaño atómico aumenta al aumentar el número atómico (hacia abajo).
• En cada periodo, el tamaño atómico disminuye al aumentar el número atómico (hacia la derecha).

El Carácter Metálico

Los átomos de los gases nobles son los más estables debido a que poseen una capa de valencia completa (generalmente ocho electrones, siguiendo la regla del octeto, con la excepción del helio que tiene dos).

• Cuando un átomo pierde electrones, adquiere una carga positiva, formando cationes.
• Cuando un átomo gana electrones, adquiere una carga negativa, formando aniones.

Metales: Son elementos que tienden a perder electrones para alcanzar la configuración electrónica de un gas noble. Forman cationes.

No metales: Son elementos que tienden a ganar electrones para alcanzar la configuración electrónica de un gas noble. Forman aniones.