1. El Átomo y la Composición de la Materia

El átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades. Los elementos se representan por su símbolo químico, que es una o dos letras (la primera con mayúscula) que suele coincidir con las iniciales del nombre del elemento. Se encuentran tabulados en la tabla periódica. Los compuestos son también una única sustancia; sus partículas más pequeñas que conservan sus propiedades se llaman moléculas. Se representan con su fórmula química, que nos indica qué elementos forman el compuesto y en qué proporción se encuentran. Hoy en día sabemos que los átomos están formados por varias partículas más pequeñas, llamadas partículas subatómicas.

Los átomos se caracterizan por el número de protones que hay en su núcleo; átomos con diferente número de protones en el núcleo son átomos de diferentes elementos. Se llama número atómico (Z) al número de protones que tiene el átomo en el núcleo. Se llama número másico (A) al número de protones más neutrones que tiene un átomo en su núcleo. Un elemento se representa simbólicamente poniendo el símbolo del elemento, Z en la parte inferior izquierda y A en la superior izquierda.

Se llaman isótopos a los átomos de un mismo elemento con distinto número de neutrones; es decir, deben tener igual Z pero diferente A. Por ejemplo, ¹₁H, ²₁H y ³₁H son los tres isótopos que existen del elemento hidrógeno.

Iones: Átomos con Carga

Los átomos tienen igual número de protones que de electrones; por lo tanto, son neutros y su carga total es cero. En este caso, el número de electrones coincide con Z. Puede suceder que un átomo pierda o gane los electrones más externos; entonces se convierte en un ion, que es un átomo con carga eléctrica.

• Si el átomo gana electrones, queda cargado negativamente (porque hay más electrones que protones) y se llama anión.
• Si el átomo pierde electrones, queda cargado positivamente (porque hay más protones que electrones) y se llama catión.

Un ion se representa simbólicamente como el átomo neutro, pero en la parte superior derecha ponemos un signo + si es catión, o un signo – si es anión, junto a un número que nos indica la cantidad de carga. Por ejemplo: ²³₁₁Na⁺, ⁴⁰₂₀Ca⁺², ³⁵₁₇Cl^–, ³²₁₆S^-2.

2. Modelos Atómicos

Modelo atómico de Dalton (principios del siglo XIX)

Considera que las sustancias pueden ser elementos y compuestos. Las partículas más pequeñas de los elementos se llaman átomos, son indivisibles y todos los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y propiedades, y diferentes de los de otros elementos. Las moléculas son las partículas más pequeñas de los compuestos que conservan sus propiedades; están formadas por átomos que se encuentran en todas las moléculas de un mismo compuesto en la misma proporción. Todas las moléculas de un compuesto son iguales en masa y propiedades.

Modelo atómico de Thomson (finales del siglo XIX)

Descubre experimentalmente la existencia de protones y electrones dentro del átomo, midiendo su carga eléctrica y su masa. Supone que el átomo es una esfera donde los protones y los electrones están mezclados. Como la masa del protón es mucho mayor que la del electrón, el átomo sería como un pudin de pasas, donde el bizcocho serían los protones y las pasas los electrones. Este modelo explicaría las propiedades eléctricas de la materia.

Modelo atómico de Rutherford (principios del siglo XX)

Realizó un experimento bombardeando una finísima lámina de oro con partículas alfa (núcleos de Helio con carga positiva). Observó que la mayoría atravesaban la lámina, una pequeña porción se desviaba y una parte extremadamente pequeña rebotaba. Rutherford explicó esto suponiendo que el átomo está prácticamente vacío. En su interior existe un núcleo extremadamente pequeño donde se encuentran los protones, y girando a su alrededor, en la corteza electrónica, están los electrones. Es el primer modelo atómico nuclear.

Modelo atómico de Bohr (principios del siglo XX)

Es también un modelo nuclear, pero explica que los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo. Cuando están en estas órbitas, tienen valores concretos de energía. Si un electrón pasa a otra órbita, debe emitir o absorber una cantidad fija de energía llamada «cuanto». Este modelo solo permitía explicar átomos con un único electrón.

Modelo atómico actual o mecano-cuántico

Modifica el modelo anterior para explicar átomos polielectrónicos. Es un modelo nuclear donde los electrones están en la corteza, pero situados en orbitales, que no son lugares concretos, sino zonas con una energía característica. Un orbital atómico viene dado por una ecuación matemática (ecuación de onda) y representa el lugar del espacio donde existe un 99,95% de probabilidades de encontrar un electrón.

3. Orbitales Atómicos y Configuración Electrónica

Los orbitales se representan con un número y una letra. El número indica la energía del orbital y la letra su forma. Según su forma, los orbitales pueden ser de cuatro tipos: s, p, d y f.

Se llama configuración electrónica al conjunto de todos los electrones que tiene un átomo ordenados en los orbitales de menor a mayor energía. Para recordar el orden se recurre al diagrama de Moeller. Capacidad máxima de electrones:

• Orbitales s: 2 electrones.
• Orbitales p: 6 electrones.
• Orbitales d: 10 electrones.
• Orbitales f: 14 electrones.

Ejemplo de la configuración electrónica del ₂₆Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

4. Radiactividad

Se llama radiactividad al fenómeno por el cual un núcleo inestable se transforma en otro núcleo de forma espontánea o provocada. Esta transformación suele ir acompañada de la emisión de partículas y gran cantidad de energía.

Tipos de Radiación Natural

Si la desintegración es espontánea, hablamos de radiactividad natural. Existen tres tipos principales:

Radiación Alfa (α)

• Formada por núcleos de Helio (2 protones y 2 neutrones).
• Tiene carga eléctrica positiva y es desviada por campos eléctricos.
• Es poco penetrante; se detiene con una hoja de papel o la piel.
• Al emitirla, el núcleo se transforma en otro con Z-2 y A-4.

Radiación Beta (β)

• Formada por electrones que salen del núcleo a gran velocidad (270,000 km/s).
• Se forman cuando un neutrón se transforma en un protón (que queda en el núcleo) y un electrón (que sale despedido).
• Es más penetrante que la alfa; se frena con una hoja de aluminio.
• Al emitirla, el núcleo se transforma en otro con Z+1 y el mismo A.

Radiación Gamma (γ)

• Es radiación electromagnética de gran energía.
• Es la más penetrante; requiere placas de plomo o de hormigón para ser detenida.
• Es la más perjudicial para la salud.
• El núcleo no cambia su composición (Z y A se mantienen), solo varía su energía.

Radiactividad Artificial

Se produce cuando provocamos la transformación de un núcleo bombardeándolo con partículas (protones o partículas alfa) a gran velocidad. En 1919, Rutherford provocó la primera reacción nuclear artificial bombardeando Nitrógeno para transmutarlo en Oxígeno.

Fisión y Fusión Nuclear

• Fisión nuclear: Se bombardea un núcleo pesado (generalmente con neutrones) y se rompe en dos trozos más ligeros, liberando grandes cantidades de energía.
• Fusión nuclear: Es la unión de dos núcleos pequeños para formar uno mayor. Libera cantidades de energía muchísimo mayores que la fisión. Es el proceso que ocurre en las estrellas.

5. Fórmulas y Cálculos Relacionados

A continuación se presentan las fórmulas matemáticas mencionadas en el estudio de la materia y los gases:

• Error relativo: Er = (Ea · 100) / vm
• Ley de Charles: V₁ / T₁ = V₂ / T₂
• Ley de Gay-Lussac: P₁ / T₁ = P₂ / T₂
• Ley de Boyle-Mariotte: P₁ · V₁ = P₂ · V₂
• Porcentaje en masa: % en masa = (M_soluto · 100) / M_disolución
• Porcentaje en volumen/masa: % disolvente = (V_soluto · 100) / M_disolvente
• Concentración (g/L): g/L = M_soluto(g) / V_disolución(L)