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Evolución de los modelos atómicos

Evolución de los modelos atómicos

Hace más de 2.000 años, Demócrito, un filósofo griego, propuso la idea de los átomos. Creía que todo lo que nos rodea está hecho de pequeñas partículas llamadas átomos, y que estos átomos no pueden dividirse en partículas más pequeñas.

Demócrito tenía parte de razón. En efecto, todo está formado por átomos, pero gracias al trabajo de muchos científicos, no solo sabemos lo que ocurre dentro de un átomo, sino que también podemos estudiar su estructura atómica.

  • En primer lugar veremos el modelo atómico de Dalton
  • Luego analizaremos el modelo atómico de Thomson
  • Después veremos el modelo atómico de Rutherford
  • Posteriormente el de Bohr
  • Por último haremos un resumen del modelo atómico actual

Antes de empezar a explorar la historia del átomo, vamos a pensar en por qué era tan importante averiguar la estructura del átomo. En realidad, es imprescindible conocer la estructura si queremos entender por qué los átomos reaccionan de cierto modo o para predecir sus propiedades fisicoquímicas. Si no supiéramos como es el átomo, la química no podría avanzar.

El modelo atómico es una representación del átomo que permite explicar sus propiedades y predecir su comportamiento.

Al igual que Copérnico y su teoría heliocéntrica, tardaron en averiguar la estructura del átomo, y sigue siendo una teoría ya que es imposible asegurarlo totalmente. Las primeras concepciones de algo que no se puede ver siempre se encuentran con limitaciones como veremos en los primeros modelos atómicos.

El modelo atómico de Dalton

En 1808, el científico inglés John Dalton publicó un libro titulado A New System of Chemical Philosophy (Un nuevo sistema de filosofía química), en el que proponía una teoría sobre los átomos como forma de resolver el misterio del átomo que propuso Demócrito 2000 años atrás. Este modelo se conoce hoy como el modelo atómico de Dalton. Dalton estaba de acuerdo con Demócrito en varias postulados, éstos siendo

  • Toda la materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos.
  • Dalton propuso que los átomos no pueden ser creados ni destruidos.

Pero Dalton también vio que los átomos de diferentes elementos tienen características diferentes, por lo que añadió estos postulados.

  • Propuso que los átomos de un mismo elemento son idénticos en todos los aspectos, pero átomos de diferentes elementos tienen diferentes tipos de átomos, con masas diferentes.
  • Cuando los átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, forman compuestos químicos. Dalton propuso el principio de la mayor simplicidad, que dice que los átomos se combinan en proporciones numéricas más simples.

Sin embargo, la teoría de Dalton tenía algunos inconvenientes. Los átomos son, de hecho, divisibles y pueden subdividirse en partículas subatómicas llamadas protones, neutrones y electrones (sin meternos ya en el modelo estándar, que habla de fermiones y bosones). La existencia de isótopos también demuestra que los átomos de los mismos elementos pueden diferir en sus masas y densidades, por lo que no todos los átomos del mismo elemento son idénticos.

Dalton creía que los átomos de los distintos elementos eran totalmente diferentes entre sí. Sin embargo, ya hemos visto que esto no es verdad. Por ejemplo, tanto los átomos de Argón como los de Calcio tienen una masa atómica de 40 unidades atómicas, y ambos están hechas de las mismas partículas elementales.

A la hora de formar compuestos químicos, las combinaciones no siempre se producían en las proporciones más simples de números enteros. Desde el punto de vista de Dalton, la aplicación de la regla que él llamaba "el principio de la mayor simplicidad" requeriría que cualquier hidrocarburo se presentara en sus proporciones numéricas más simples. Por ejemplo, el metano se encontraría en una proporción de 1C:2H, mientras que el etileno se encontraría en una proporción de 1C:1H. La fórmula real del metano es CH4, mientras que la del etileno es C2H4. Además, se descubrió que los compuestos complejos (por ejemplo, C12H22O11) no se combinan según el principio de mayor simplicidad de Dalton.

Por último, la teoría de Dalton no explicaba la existencia de los alótropos y sus diferentes propiedades.

De hecho, Dalton fue la primera persona que reconoció la distinción entre la partícula fundamental de un elemento y la de un compuesto. Aun así, 100 años pasaron hasta el siguiente modelo atómico.

El modelo atómico de Thomson

Probablemente ya haya oído hablar de Sir Joseph John Thomson. Thomson era el primer científico en proponer un modelo atómico donde el átomo era divisible que llevó al descubrimiento del electrón. En 1906, Thomson recibió el Premio Nobel de Física por ello y por su trabajo sobre la conducción de la electricidad en los gases.

Thomson sugirió que un átomo es una esfera llena de un "fluido" cargado positivamente que contiene pequeñas partículas cargadas negativamente llamadas corpúsculos (posteriormente denominados electrones). Este modelo se conoce como el modelo del pudín de ciruela de Thomson.

A Thomson también se le atribuye el descubrimiento de los isótopos y la invención del espectrómetro de masas.

¿Está interesado en aprender sobre los isótopos? Consulta "Isótopos" y "Espectroscopia de masas".

El experimento de los tubos de rayos catódicos

El experimento de Thomson que llevó al descubrimiento del electrón consistía pasar corriente por un tubo de cristal que estuviera casi totalmente a vacío. Este tubo de cristal tenía electrodos a cada lado, el cátodo unido al potencial negativo y el ánodo conectado al potencial positivo. En un campo electromagnético, partículas van desde el cátodo hasta el ánodo, pero al poner placas de cargas opuestas, se ve que las partículas son atraídas a la placa cargado positivamente. Ya que sabemos que las cargas opuestas se atraen, se pudo deducir que las partículas están cargadas negativamente. Además, mediante el uso de un campo magnético, se pudo observar que la masa de la partícula era despreciable en comparación a la masa del átomo. Pero, aunque había descubierto la relación carga/masa del electrón, no era hasta pasados unos años que se pudo calcular por separado.

A Robert Millikan se le atribuye el descubrimiento de la masa del electrón tras averiguar con éxito el valor de la carga de un electrón. Esta carga se midió mediante el experimento de la gota de aceite, conocido como la gota de Millikan. Consistió en dejar caer gotas de aceite a una región de un campo eléctrico y medir la velocidad a la cual caían para conocer su masa. Posteriormente, por irradiación con rayos X y un campo eléctrico consiguió que la gota, en vez de caer, se quedara en reposo, debido a la carga. Con esto, pudo calcular que:

  • La carga de un electrón es de 1,602 x 10-19 C.
  • La masa de un electrón resultó ser de 9,10 x 10-28 g.

El modelo atómico de Rutherford

A Ernest Rutherford no le convencía el modelo atómico de Thomson. Así que, en 1910, Rutherford puso en marcha su famoso experimento: el experimento de la lámina de oro.

¿Cómo funcionó este experimento? Averigüémoslo.

En primer lugar, disparó partículas alfa con carga positiva (partículas formadas por dos protones y dos neutrones) a una lámina de oro. Rutherford esperaba que todas las partículas alfa atravesaran la lámina. Pero no fue así. La mayoría de las partículas pasaron sin apenas desviación. Unas pocas partículas alfa al salir por el otro lado, se dispersaron (o se desviaban) en ángulos grandes. En algunos casos, ¡una partícula se desviaba hasta el detector!

Rutherford teorizó que algunas partículas rebotaban porque las partículas alfa chocaban con algo que también estaba cargado positivamente. Así, sugirió que la lámina de oro tenía un centro positivo, al que llamó núcleo.

También sugirió que la mayoría de las partículas no se desviaban porque los átomos están hechos en su mayoría de espacio vacío.

Basándose en sus descubrimientos, Rutherford propuso su modelo nuclear del átomo. Propuso que el núcleo de un átomo es una masa densa de partículas cargadas positivamente, protones, con electrones orbitando el núcleo en la corteza como las planetas orbitando al sol.

Pero este modelo tenía varias limitaciones

  • Según este modelo, la carga del átomo determina su estructura, mientras que hasta ese momento, se había visto que era la masa que era responsable por la estructura y comportamiento químico.
  • Un núcleo formado por protones sería inestable ya que como ya sabemos, las cargas se repelen.
  • La masa del átomo no coincidía con la cantidad de protones que hay en el elemento. Como Thomson ya había visto que la masa del electrón era despreciable, tendría que coincidir el tamaño del átomo con el número de protones.
  • No era capaz de explicar las bandas de absorción o emisión de los espectros atómicos.
  • Si los electrones giran en órbitas, tendrían que emitir energía en forma de ondas electromagnéticas y tras un tiempo, caerían sobre el núcleo al quedarse sin energía, y vemos que esto no ocurre.

Modelo atómico de Chadwick

Para poder explicar las primeras limitaciones, la estabilidad del núcleo y la masa de los elementos, había que descubrir el neutrón. Esto ocurrió en 1932 cuando James Chadwick introdujo polonio en una caja que estaba al vacío. Al irradiar Berilio con partículas alfa, produjo radiación que no fueron afectados por un campo electromagnético. Dedujo que eran partículas neutrales que interaccionaba con protones, y determinó su masa.

Modelo atómico de Bohr

Niels Bohr estaba de acuerdo con el modelo del átomo de Rutherford, pero quedaban por explicar las últimas dos limitaciones, utilizando sus conocimientos de física cuántica perfeccionó dicho modelo.

En 1913, propuso el modelo de capas nucleares, aclarando que aunque los electrones orbitan el núcleo en órbitas, cada órbita tiene un tamaño y una energía fija.

Cuanto menor es la energía del electrón, menor es la órbita. A medida que los electrones llenan los orbitales, siempre llenarán primero el nivel de energía más bajo antes de comenzar un nuevo nivel de energía. Por lo qué, solo emitiría radiación electromagnética cuando un electrón pasa de un nivel a otro, y la cantidad exacta se puede determinar utilizando el constante de Planck.

Pero, al igual que los otros modelos, este nuevo modelo no logró explicar del todo el comportamiento del átomo:

  • No podía explicar las propiedades de los átomos que tenían más de un electrón.
  • El espectro de hidrógeno cambiaba en presencia de un campo magnético
  • No puede predecir las intensidades de las líneas espectrales o incluso el espectro de cualquier átomo con mayor número de electrones.

Modelo atómico actual

La idea más precisa que tenemos hoy de un átomo se basa en una descripción matemática de la mecánica cuántica. Seguimos utilizando la idea de que los electrones se mueven en órbitas específicas y bien definidas. Pero ahora sabemos que los electrones no viajan en una órbita/trayectoria específica. En la década de 1920, Erwin Schrödinger determinó que los orbitales eran una región en el espacio donde había una probabilidad alta de encontrar el electrón. El tipo de órbitas probables depende del nivel de energía descrito por Bohr. Pero, con el principio de incertidumbre de Heisenberg, vemos que aunque sabemos la región donde seguramente estén, no sabemos la velocidad a la que van, y si lo supiéramos, no sabríamos donde están exactamente.

Por lo tanto, todavía nos queda mucho que descubrir en cuanto al modelo atómico, ya que ahora incluso sabemos que ¡los protones no son partículas elementales!

  • Hay 5 modelos atómicos que han sido aceptados durante la historia
  • Dalton postulaba que el átomo era indivisible y idénticos. Además hipotetizó el principio de la mayor simplicidad y reconoció la distinción entre la partícula fundamental de un elemento y la de un compuesto.
  • El modelo de Thomson se conoce como el Pudín de ciruela de Thomson y descubrió el electrón.
  • Robert Millikan cálculo la carga y masa del electrón
  • Rutherford descubrió el protón en el núcleo de un átomo, esto siendo una masa densa de partículas cargadas positivamente con electrones orbitando el núcleo en la corteza como las planetas orbitando al sol.
  • Bohr propuso el modelo de capas nuclear, aclarando que aunque los electrones orbitan el núcleo en órbitas, cada órbita tiene un tamaño y una energía fija.
  • El modelo atómico actual es el mecano cuántico.

¿Cuáles son los 4 modelos atómicos?

Hay 5 modelos atómicos que han sido aceptados durante la historia, el modelo atómico de Dalton, el modelo del pudín de ciruela de Thomson, el modelo atómico de Rutherford, el modelo atómico de Bohr y el actual, el modelo mecano-cuántico.

¿Cuál fue el modelo atómico de Dalton?

Dalton postulaba que el átomo era indivisible y idénticos. Además hipotetizó el principio de la mayor simplicidad y reconoció la distinción entre la partícula fundamental de un elemento y la de un compuesto.

¿Cuál es el modelo atómico moderno?

El modelo atómico moderno se denomina modelo mecano-cuántico ya que se basa en la física cuántica.

¿Qué es el modelo de pudín de ciruela?

Thomson sugirió que un átomo es una esfera llena de un "fluido" cargado positivamente que contiene pequeñas partículas cargadas negativamente llamadas corpúsculos (posteriormente denominados electrones). Este modelo se conoce como el modelo del pudín de ciruela de Thomson.

¿Cuál fue el fallo que presenta el modelo atómico de Rutherford?

Este modelo tenía varias limitaciones

  • Según este modelo, la carga del átomo determina su estructura, mientras que hasta ese momento, se había visto que era la masa que era responsable por la estructura y comportamiento químico
  • Un núcleo formado por protones sería inestable ya que como ya sabemos, las cargas se repelen.
  • La masa del átomo no coincidía con la cantidad de protones que hay en el elemento. Como Thomson ya había visto que la masa del electrón era despreciable, tendría que coincidir el tamaño del átomo con el número de protones.
  • No era capaz de explicar las bandas de absorción o emisión de los espectros atómicos
  • Si los electrones giran en órbitas, tendrían que emitir energía en forma de ondas electromagnéticas y tras un tiempo, caerían sobre el núcleo al quedarse sin energía, y vemos que esto no ocurre.

Cuestionario final de Evolución de los modelos atómicos

Pregunta

¿Quién propuso inicialmente la idea de los átomos?

Mostrar respuesta

Answer

Demócrito

Show question

Pregunta

¿Cuál de los siguientes enunciados fue postulado por Dalton?

Mostrar respuesta

Answer

Los átomos no pueden ser creados ni destruidos

Show question

Pregunta

El principio de la mayor simplicidad implica que 

Mostrar respuesta

Answer

Cualquier hidrocarburo se presentara en sus proporciones numéricas más simples.

Show question

Pregunta

Las propuestas de Thomson le llevaron a ganar un premio Nobel por el descubrimiento del ______.

Mostrar respuesta

Answer

Electrón

Show question

Pregunta

El modelo de pudín de ciruela fue el nombre que se le dio al modelo propuesto por 

Mostrar respuesta

Answer

Thompson

Show question

Pregunta

El experimento de ______ fue el que permitió determinar la relación de carga/masa de los electrones.

Mostrar respuesta

Answer

Los tubos de rayos catódicos

Show question

Pregunta

El experimento de Rutherford se llamó ______.

Mostrar respuesta

Answer

Experimento de la lámina de oro

Show question

Pregunta

El tipo de partículas que Rutherford disparó contra láminas de oro eran partículas ______.

Mostrar respuesta

Answer

Alfa

Show question

Pregunta

La conclusión del experimento de Rutherford fue:

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Answer

El núcleo de los átomos tiene una concentración de partículas positivas.

Show question

Pregunta

El gran descrubrimiento de Chadwick fue:

Mostrar respuesta

Answer

La existencia de los neutrones.

Show question

Pregunta

El modelo propuesto por Bohr también se conocía como ______.

Mostrar respuesta

Answer

Modelo de capas nucleares

Show question

Pregunta

Los electrones llenan los orbitales electrónicos del nivel de energía.

Mostrar respuesta

Answer

Más bajo al más alto 

Show question

Pregunta

La cantidad de exacta de energía emitida como radiación electromagnética emitida cuando un electrón cambia de un nivel a otro se puede determinar mediante la constante de: 

Mostrar respuesta

Answer

Planck 

Show question

Pregunta

La propuesta de Shrödinger era que los orbitales electrónicos eran una región en el espacio con una alta _______ de encontrar los electrones.

Mostrar respuesta

Answer

Probabilidad

Show question

Pregunta

El principio que rige la imposibilidad de determinar la velocidad y posición de una electrón en un orbital es el principio de 

Mostrar respuesta

Answer

Incertidumbre de Heisenberg

Show question

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