Fisicoquímica

Profesora Laura Colom

Los modelos atómicos

La materia y los átomos

Materia se trata de todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. A pesar de la diversidad de materia
que se presenta en el Universo, ella, en su conjunto tiene una característica: está compuesta por átomos y
esos átomos son muy, pero muy pequeños. Para hacernos una idea de cuán pequeños son puede verse la
siguiente figura:

Se parte de una unidad de referencia que se conoce bien: el metro. Dando un paso bien largo se puede
determinar aproximadamente esta medida. Ahora consideraremos un decímetro, la décima parte del metro.
A lo largo de nuestra mano cabe un decímetro.

Sigamos con el centímetro, la centésima parte del átomo. Con uno de ellos podemos medir el ancho de una
uña.

A continuación, consideraremos un milímetro, la milésima parte del metro, lo que mide una pulga de agua.
Luego siguen las décimas de milímetro, el tamaño, por ejemplo, de las células vegetales más grandes.
Objetos de este tamaño ya no podemos distinguirlos a simple vista.

Ya en el mundo microscópico aparece la centésima de milímetro, con la que puede medirse, por ejemplo,
algunas células animales, como ciertas neuronas.

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Entonces llegamos al micrómetro o milésima de milímetro, que es lo que, por ejemplo, puede medir una
bacteria. ¡Un millón de estas bacterias puestas en fila medirían un metro!

Las unidades se hacen cada vez más pequeñas. Con una décima de micrómetro podemos medir, por
ejemplo, un virus.

Y con la centésima de micrómetro, una gran molécula, por ejemplo, la de ADN.

Así llegamos al nanómetro o milésima de micrómetro. Con esta unidad podemos medir moléculas y
distinguir a los átomos.

Finalmente, llegamos a la décima parte del nanómetro, también llamada angstrom. Esta unidad permite
medir las moléculas pequeñas y los átomos. El más pequeño que se conoce, el de hidrógeno, mide casi un
angstrom. Es decir que 10.000 millones de átomos de hidrógeno puestos en fila medirían un metro.

Como te darás cuenta, resulta imposible aislar átomos (hasta el momento) y salvo algunas observaciones con
microscopios muy pero muy potentes no se puede estudiar ni medir directamente, como lo haríamos, por
ejemplo, con un animal o una planta. Por eso, las investigaciones referidas a los átomos se realizaron y se
realizan mediante el análisis del comportamiento de la materia. Entonces, este análisis permite deducir como
es probable que sean los átomos y representarlos con un modelo atómico.

Los primeros modelos atómicos

La historia de los modelos atómicos empieza en la antigua Grecia. En ese entonces no había científicos tales
como los concebimos en la actualidad. Eran los filósofos quienes, entre
otras cosas, se ocupaban de pensar como estaba constituida la materia.
Y había dos opiniones encontradas: por un lado, la de Demócrito y su
maestro Leucipo y por otro lado la de Aristóteles.

Demócrito y Leucipo afirmaban que un trozo de metal podía dividirse en

dos partes; cada una de estas en otras dos y así sucesivamente…hasta
que llegaba un momento en el cual se obtenía una partícula tan diminuta
que ya no es posible dividirla. A esa partícula la denominaron átomo.
Termino de origen griego que significa “indivisible”).

Según Leucipo y Demócrito, los átomos de agua son suaves y

resbaladizos y los de fuego, considerado un elemento químico en ese
momento, espinosos y calientes (ver imagen).

Además, sostenían que los átomos eran eternos, se movían en un espacio vacío y se diferenciaban por la
forma, la medida, el peso y la posición.

Aristóteles consideraba que la materia era continua y que los átomos no existían. Hoy sabemos que Demócrito
y Leucipo estaban en lo cierto.

El modelo atómico de Dalton

En el siglo XVIII se produjeron grandes cambios en cuanto al modelo de estudiar los fenómenos naturales.
Varios físicos y químicos europeos se dedicaron a experimentar con la materia y sus transformaciones, entre
ellos Antoine Laurent de Lavoisier (1742-1794), considerado por muchos el fundador de la química moderna.
Lavoisier afirmó que la materia no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Este enunciado, conocido
como Ley de conservación de la materia abrió el camino a otras observaciones.

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El físico y químico inglés John Dalton pensó que la materia no era continua, sino que estaba formada por
partículas muy pequeñas, a las que denominó “átomos”, al igual que Leucipo y Demócrito. Sobre esta base,
en 1803, enunció su teoría atómica:

 La materia está formada por átomos indivisibles e indestructibles.

 Los átomos son esferas rígidas
 Todos los átomos del mismo elemento son iguales entre sí; pero
diferentes a de los otros elementos.
 Los átomos de elementos diferentes se combinan para formar
compuestos.
 Los átomos no se crean ni se destruyen, aun cuando se combinan
en las reacciones químicas.

Para la época los postulados de Dalton resultaron brillantes, aunque luego

a la luz de nuevas investigaciones pudo confirmarse que algunos de ellos
eran erróneos.

John Dalton (1766-1844)

El modelo de Thomson

Gracias a la teoría de Dalton fue posible definir por primera vez un elemento químico como la “sustancia
formada por la misma clase de átomos” y los compuestos, a los que Dalton llamó “átomos compuestos”.

El físico británico Joseph Thomson (1856-1940) realizó experiencias que demostraron la existencia en los
átomos de partículas con carga negativa y masa definida, a las que llamó electrones. El átomo era divisible y
estaba formado por partículas más pequeñas. Thomson postuló un modelo que se conoce como “budín de
pasas”. Según este modelo, el átomo era una esfera sólida de carga positiva, sobre la que se disponían los
electrones, como las pasas en un budín. La suma de las cargas positivas y negativa era nula.

Joseph Thomson Representación

trabajando en su del modelo
laboratorio. atómico de
Thomson.

El electrón fue la primera partícula subatómica descubierta mediante experiencias sobre la conductividad
eléctrica de los gases. Si bien los gases no son buenos conductores de la electricidad, al aplicarles un alto
voltaje y disminuir la presión dentro de un tubo, se vuelven conductores y emiten luz. Este principio es el
mismo empleado en los tubos de descarga de gases utilizados en los letreros luminosos.

Thomson investigó la conductividad eléctrica en los gases y observó la emisión de una radiación invisible que
activaba una sustancia fluorescente situada en la pared opuesta del cátodo (electrodo negativo). Al estudiar
las propiedades de las radiaciones determinó que viajaban en línea recta y los llamó rayos catódicos por
originarse en el cátodo. Por otra parte, demostró que se trataba de partículas con masa y carga negativa (los
electrones ya mencionados). Para llegar a estas conclusiones Thomson construyó el tubo de rayos catódicos.

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Cargas iguales se
repelen y cargas
opuestas se
atraen.

El modelo de Rutherford

La idea de los electrones y las cargas positivas fue rápidamente aceptada. Pero había algo que no cerraba en
el modelo de” budín con pasas”: que el átomo siguiera siendo una esfera rígida. Sobre este tema trabajó el
físico y químico británico, Ernest Rutherford (1871-1937). En 1911, al “bombardear” una delgada lámina de oro
de carga positiva, observó que:

 La mayoría de las partículas la atravesaban sin desviarse;

 Una porción menor de partículas apenas si desviaba su trayectoria;
 Muy pocas partículas rebotaban en la lámina de oro y volvían hacia donde fueron emitidas.

Basándose en esta observación, dedujo que la mayor parte del volumen del átomo debía estar formado por
espacio vacío, y que su zona central poseía una pequeñísima porción de materia, a la que denomino núcleo
atómico. Este núcleo poseía carga positiva, ya que rechazaba las partículas positivas conque era
bombardeado. Y los electrones ¿dónde se ubican? Según Rutherford los electrones (de carga negativa)
giraban alrededor del núcleo distribuidos en órbitas como hacen los planetas alrededor del sol. Por eso este
modelo se conoce como modelo planetario del átomo.

Experiencia de
Rutherford

Modelo atómico de Rutherford

Con el paso del tiempo, en 1932, James Chadwick descubrió que el núcleo también contenía una partícula
también llamada neutrón, que es neutro con respecto a su carga, por ende las masas de protones y neutrones
determinan su carga.

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En resumen, los átomos tienen un núcleo con carga positiva donde se ubican los protones (con carga
positiva o p+) y los neutrones (sin carga, n°), mientras que los electrones (con carga negativa, e-) se
encuentran en orbitas fuera del núcleo.

Bases experimentales del modelo de Rutherford

El modelo de Bohr

En 1913, un discípulo de Rutherford (1885-1962), mejoró el modelo. Afirmó que los electrones giraban
alrededor del núcleo en órbitas circulares definidas y con un nivel de energía característico. Cuanto más
alejada del núcleo estuviera la órbita en la que giraba el electrón, mayor sería su nivel de energía. Además,
según Bohr, cada órbita admitía un número máximo de electrones.

En el modelo atómico de Bohr los electrones se mueven en un nivel

determinado de energía. Si se les aporta energía, pueden pasar a un
nivel energético superior. Al volver al nivel inicial emiten un cuanto
de energía.

Al postular su experiencia, Bohr tuvo muy en cuenta las observaciones del físico alemán Max Planck (1858-
1947) quien ya en 1900 había observado que las partículas oscilaban ente varios niveles de energía y emitían
o tomaban energía en forma de vibración electromagnética. Descubrió que la energía emitida no podía ser de
cualquier magnitud, sino que se trataba de múltiplos de una cantidad energía, a la que llamaron cuanto.

 Si el átomo no emite energía, los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estables, sin emitir
energía.
 En determinadas condiciones, los electrones absorben energía y pueden moverse desde su órbita
(estado fundamental) hacia una órbita de mayor nivel de energía (estado excitado).
 Cuando vuelven a su estado fundamental, se libera energía en forma de radiaciones
electromagnéticas.

Ernest Rutherford bombardeó la lámina de oro con partículas positivas a las que llamó alfa, un tipo de
radiación emitida por el uranio (elemento radioactivo).

Su experiencia no podría haber sido posible si no se hubiese descubierto el fenómeno de la radioactividad. En

1896, Henri Becquerel descubrió de manera accidental que el uranio emitía radiaciones propias y
espontáneas. Para esto, estudió la capacidad del mineral de uranio para producir una luz característica
(fluorescencia) al ser expuesto a la luz solar, con el fin de determinar si esta contenía rayos X. Envolvió una

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partícula fotográfica con papel negro y colocó sobre ella un trozo del mineral, exponiendo el dispositivo al sol.
Bequerel observó que la película se velaba en la zona donde apoyó el mineral. Sin embargo, cuando por falta
de sol la película quedó expuesta solamente a sales de uranio, la observación fue la misma, por lo tanto, no
fue la fosforescencia la que producía el fenómeno, sino otro tipo de fenómeno, también diferente de los rayos
X, al que llamó “fluorescencia invisible” y que luego se llamó “radioactividad”. Los esposos Curie estudiaron
la radiación y determinaron la existencia de tres tipos de rayos, a los que posteriormente Rutherford llamó
radiación alfa, radiación beta y radiación gamma.

Modelo atómico actual

¿Hay otro modelo de átomo? Así es, el modelo atómico actual plantea que los electrones giran alrededor del
núcleo en una región llamada orbital. Un orbital es la región del núcleo en la que es posible encontrar a un
electrón. ¿Qué ocurre cuando el núcleo tiene muchos electrones? Para simplificar el modelo imaginá que los
orbitales son las capas de una cebolla que se van superponiendo. Cada capa puede obtener distinto número
de electrones y sus formas (a diferencia de las capas de la cebolla) tienen distintas formas. Cuanto más
electrones tiene el átomo, más capas posee.

Modelo atómico actual simplificado. Representación del núcleo y

de la nube electrónica (orbital).

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