Historia: modelos atómicos Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración. Año
Científico
1808
Descubrimientos experimentales
Modelo atómico
Durante el s.XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química.
La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables, iguales entre sí en cada elemento químico.
John Dalton Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones .
1897
De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones. (Modelo atómico de Thomson.)
J.J. Thomson
1911
Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.
Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente. (Modelo atómico de Rutherford.)
Espectros atómicos discontinuos
Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos. (Modelo atómico de Bohr.)
E. Rutherford srcinados por la radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso.
1913
Niels Bohr
Estructura del átomo En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza. - El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones , y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. - La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. Los átomosAsí, son el eléctricamente neutros, debido a quecon tienen igual número de protones que de electrones. número atómico también coincide el número de electrones. Isótopos
La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico. Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.
Corteza atómica: Estructura electrónica Aunque los conocimientos actuales sobre la estructura electrónica de los átomos son bastante complejos, las ideas básicas son las siguientes: 1. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7, el más externo. 2. A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f. 3. En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7). La distribución de orbitales y número de electrones posibles en los 4 primeros niveles se resume en la siguiente tabla: Niveles de energía Subniveles Número de orbitales de cada tipo Denominación de los orbitales Número máximo de electrones en los orbitales Número máximo de electrones por nivel
1 s 1 1s 2 2
2 sp 13 2s 2p 2-6 8
3 spd 135 3s 3p 3d 2 - 6 - 10 18
4 spdf 1357 4s 4p 4d 4f 2- 6- 10- 14 32
La configuración electrónica en la corteza de un átomo es la distribución de sus electrones en los distintos niveles y orbitales. Los electrones se van situando en los diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente hasta completarlos. Es importante saber cuantos electrones existen en el nivel más externo de un átomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos.
Moléculas En la naturaleza raramente aparecen átomos aislados; sólo los gases nobles (He, Ne, Ar,...) que constan de átomos individuales, no reactivos. Los átomos tienden a combinarse entre sí de varias maneras para formar las distintas sustancias puras: elementos y compuestos. Las unidades que sirven como bloques de construcción de dichas sustancias son las moléculas y los iones. Moléculas
Dos o más átomos pueden combinarse entre sí para formar una molécula. Por ejemplo el oxígeno (O 2) o el nitrógeno 2), constituidos por moléculas de elementos. Las moléculas de los compuestos están formadas por átomos de (N diferentes tipos, por ejemplo en el agua o el dióxido de carbono. Los átomos involucrados suelen ser de elementos no metálicos. Dentro de la molécula, los átomos están unidos unos a otros por fuerzas intensas denominadas enlaces químicos. Las sustancias moleculares se representan abreviadamente mediante las fórmulas, en las que se indica el número de átomos de cada elemento por un subíndice escrito después del símbolo del elemento (si un símbolo de un elemento no lleva subíndice significa que hay un solo átomo del mismo). Así, las fórmulas moleculares para el agua (H2O), amoníaco (NH3) y metano (CH4), se interpretan del siguiente modo: En la molécula de agua hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. En la molécula de amoníaco hay un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. En la molécula de metano hay un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno.
Iones Cuando un átomo pierde o gana electrones, se forman partículas cargadas denominadas iones. Los átomos de los elementos metálicos (los situados a la izquierda y en el centro de la tabla periódica) tienden a perder electrones para formar iones cargados positivamente llamados cationes . Por ejemplo, los iones Na+ y Ca2+, se forman a partir de los átomos de los metales sodio y calcio: Átomo Na Na+ (ion sodio) + 1e Átomo Ca Ca2+ (ion calcio) + 2eLos átomos de no metales (los elementos situados a la derecha de la tabla periódica) tienden a ganar electrones y formar iones negativos llamados aniones. Por ejemplo, los átomos de cloro y oxígeno, al adquirir electrones forman los iones Cl - y O2-: Átomo Cl + 1eCl- (ion cloruro) Átomo O + 2e O2- (ion óxido) Cuando se forma un ion, el número de protones en el núcleo no cambia . Lo único que varía es el número de electrones, que aumenta o disminuye. Los iones vistos hasta este ahora son monoatómicos, es decir, proceden de un único átomo que ha perdido o ganado electrones. Muchos iones importantes en química son poliatómicos, es decir, -
contienen más + de un átomo. Ejemplos de este tipo de iones son el ion hidróxido (OH ) y el ion amonio (NH 4 ). Estos iones se pueden imaginar como una "molécula cargada".
Enlaces entre átomos Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por átomos unidos. Las intensas fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se denominan enlaces químicos. ¿Por qué se unen los átomos?
Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. Esta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el número de electrones que poseen los átomos en su último nivel es igual a ocho, estructura que coincide con la de los gases nobles. Los gases nobles tienen muy pocaSus tendencia a formar compuestos y suelen naturaleza como átomos aislados. átomos, a excepción del helio, tienen encontrarse 8 electrones en en lasu último nivel. Esta configuración electrónica es extremadamente estable y a ella deben su poca reactividad. Podemos explicar la unión de los átomos para formar enlaces porque con ella consiguen que su último nivel tenga 8 electrones, la misma configuración electrónica que los átomos de los gases nobles. Este principio recibe el nombre de regla del octeto y aunque no es general para todos los átomos, es útil en muchos casos. Distintos tipos de enlaces Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que
unen sus átomos. Existen tres tipos principales de enlaces químicos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico. Estos enlaces, al condicionar las propiedades de las sustancias que los presentan, permiten clasificarlas en: iónicas, covalentes y metálicas o metales. (pulsa en la figura sobre los nombres los tipos de enlaces y sustancias para ver sus características)
Enlace iónico Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos (especialmente los situados más a la izquierda en la tabla periódica -períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -especialmente los períodos 16 y 17). En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos. Ejemplo: La sal común se forma cuando los átomos del gas cloro se ponen en contacto con los átomos del metal sodio Se forma así el compuesto NaCl o sal común. En realidad reaccionan muchos átomos de sodio con muchos átomos de cloro, formándose muchos iones de cargas opuestas y cada uno se rodea del máximo número posible de iones de signo contrario: Cada ion Cl- se rodea de seis iones Na+ y cada ion Na+ de seis iones Cl-. Este conjunto ordenado de iones constituye la red cristalina de la sal común .
Enlace covalente Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen unidos entre sí los átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -C, O, F, Cl, ...). Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo ( electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad de la estructura electrónica de gas noble. Por tanto, los átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí para formar iones de signo opuesto. compartir un par de electrones En este casodeelcada enlace se forma dosátomos átomos, uno procedente átomo. El paral de electrones compartido es comúnentre a loslosdos y los mantiene unidos, de manera que ambos adquieren la estructura electrónica de gas noble. Se forman así habitualmente moléculas: pequeños grupos de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes. Ejemplo: El gas cloro está formado por moléculas, Cl 2, en las que dos átomos de cloro se hallan unidos por un enlace covalente. En otros casos un mismo átomo puede compartir más de un par de electrones con otros átomos. Por ejemplo en la molécula de agua (H2O) el átomo de oxígeno central comparte un par de electrones con cada uno de los dos átomos de hidrógeno. Estos pares de electrones compartidos se representan habitualmente por una barra entre los dos átomos unidos.
Enlace metálico Para explicar las propiedades características de enlace los metales (su conocido alta conductividad eléctrica y maleabilidad, ...) se ha elaborado un modelo de metálico como modelo de ylatérmica, nube o ductilidad del mar de electrones : Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Éstos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na +, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.
Enlaces: Actividades finales 1. Al combinarse los átomos de potasio (un metal alcalino) con los átomos de bromo (un no metal del grupo de los halógenos), lo más probable es que entre ellos se establezca: 1.
Enlace covalente
2.
Enlace metálico
3.
Enlace por puentes de hidrógeno Enlace iónico
4.
2. Un sólido metálico está formado por: 1.
Iones positivos y negativos
2.
Iones positivos y una nube de electrones
3.
Iones negativos y una nube de electrones
4.
Átomos neutros que comparten electrones
3. ¿Cuál será la clase de enlace químico más probable que puede establecerse entre los átomos de los siguientes elementos? 1.
Hierro-hierro:
2.
Cloro-magnesio:
3.
Carbono-oxígeno:
4.
Flúor-flúor:
5.
Neón-neón:
4. Señala cuáles de los siguientes compuestos serán de tipo iónico: 1.
CaO (óxido de calcio).
2.
O2 (oxígeno).
3.
NaF (fluoruro de sodio).
4.
N2O (óxido de dinitrógeno).
5.
NH3 (amoníaco).
5. De los sólidos siguientes, marca los que son muy solubles en agua: 1.
Cobre (Cu).
2.
Cuarzo (SiO2).
3.
Fluorita (CaF2).
4.
Hierro (Fe).
5.
Silvina (KCl).
