2 Magnitudes y unidades

Después de realizar su experimento, Rutherford concluyó que el átomo estaba casi vacío y propuso un nuevo modelo.

➜ El átomo de Rutherford tiene una parte central muy pequeña y positiva, llamada núcleo, en la que se concentra prácticamente toda su masa, alrededor del cual giran a gran velocidad los electrones con carga negativa, constituyendo la corteza del átomo. ➜ Como ambas partes, núcleo y corteza, compensan mutuamente sus cargas positiva y negativa, el conjunto es neutro.

El modelo de Bohr

Electrones

Núcleo

➚El átomo, según Rutherford.

➚El átomo, según Bohr. El modelo de Rutherford no era válido; según las leyes de la Física, los electrones, al girar, debían perder energía y caer finalmente sobre el núcleo. En 1913, el físico danés Niels Bohr, colaborador de Rutherford, propuso un nuevo modelo, que no obstante mantenía la existencia de un núcleo positivo y una corteza negativa.

➜ En el átomo de Bohr existen un núcleo positivo y una corteza negativa, formada por los electrones. Estos se sitúan en ciertas órbitas permitidas (capas), en las cuales mantienen su estabilidad, sin perder energía. ➜ Los electrones pueden pasar de unas capas a otras absorbiendo o emitiendo cantidades exactas de energía.

Las capas del átomo

El modelo de Bohr introduce un concepto importantísimo: la existencia de capas o niveles de energía en la corteza, en las cuales se distribuyen los electrones, que se encuentran describiendo órbitas circulares alrededor del núcleo. Estas capas se identifican con letras mayúsculas, comenzando por la letra K para la capa más próxima al núcleo (n = 1). En cada nivel puede haber, como máximo, un número de electrones dado por 2n2 , siendo n el número correspondiente al nivel empezando a contar desde el núcleo.

6. Contesta razonadamente:

a) ¿Qué significa que el átomo está casi vacío? b) En el átomo de Bohr, ¿puede un electrón situarse en capas diferentes?

c) ¿Por qué los átomos son eléctricamente neutros? 7. Acabamos de estudiar los modelos de Thomson, de Rutherford y de Bohr para el átomo. a) ¿Qué diferencias importantes hay entre cada modelo y el que le siguió en el tiempo? b) ¿Por qué los modelos de Thomson y Rutherford dejaron de ser válidos en su momento?

e

3 ¿Qué sabemos del átomo en la actualidad? e

El descubrimiento de las partículas subatómicas dio lugar al nacimiento de la Física atómica o nuclear. En la actualidad, las investigaciones en este campo se desarrollan en los aceleradores de partículas, entre los cuales destaca el que se ubica en el CERN.

¿Sabes qué es y dónde se encuentra este complejo científico de primer nivel?

CERN

La investigación sobre el átomo, su estructura y las partículas que lo forman ha continuado a lo largo de los siglos xx y xxi, siendo hoy día uno de los campos más activos de la Física. A un nivel elemental, nuestra visión actual del átomo mantiene los aspectos básicos que ya propuso Bohr en su modelo. Desde esa época se han ido sucediendo nuevos descubrimientos muy importantes, comenzando por la existencia de los protones y neutrones, que estos primeros modelos no contemplan. El modelo actual del átomo es, por lo tanto, bastante más complejo; sin embargo, de forma muy simplificada, sus características más relevantes se pueden esquematizar de la siguiente manera:

El átomo consta de un núcleo que concentra casi toda la masa del átomo. En el núcleo se localizan los protones y los neutrones, unidos mediante fuerzas de atracción –llamadas fuerzas nucleares–, que impiden la repulsión entre ellos.

En la corteza se hallan los electrones, en un número igual al de protones, girando en torno al núcleo a velocidades próximas a la de la luz, atraídos por fuerzas eléctricas debido a su carga negativa. Los electrones se disponen en capas concéntricas, a distintas distancias del núcleo. Esas capas tienen mayor energía cuanto más lejos del núcleo se encuentran y se van ocupando por orden de proximidad a él. Los electrones pueden pasar de unas a otras emitiendo o absorbiendo energía.

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8. ¿Qué es un acelerador de partículas? Busca la información necesaria y redacta un breve párrafo explicando para qué sirve un dispositivo de estas características, qué dimensiones tiene y cuáles son sus partes principales. 9. Desde que se descubrieron las tres partículas básicas que forman parte del átomo, los avances tecnológicos han dado lugar al descubrimiento de otras partículas subatómicas: bosones, quarks, positrones, neutrinos, etc. Formad grupos de trabajo. Cada grupo realizará una investigación sobre un tipo de partícula y elaborará una ficha siguiendo las indicaciones de vuestro profesor o profesora. Las fichas pueden utilizarse para componer un mural.

La identidad de un átomo y sus propiedades vienen dadas por el número de partículas subatómicas que lo forman. Además del número atómico, se define para cada átomo otro número importante, directamente relacionado con el núcleo atómico.

➜ El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo. ➜ Todos los átomos del mismo elemento químico tienen el mismo número atómico. ➜ Como el átomo es neutro, el número atómico también nos indica el número de electrones que posee el átomo. ➜ El número másico (A) es el número total de partículas que hay en el núcleo del átomo, igual, por tanto, a la suma de protones y neutrones que tiene el átomo. ➜ El valor del número másico coincide con la masa del átomo expresada en unidades de masa atómica (u).

A partir de los datos de número atómico y número másico de un átomo es sencillo determinar cuántos protones y neutrones posee en el núcleo y a qué elemento químico pertenece este átomo, consultando para ello la tabla periódica. Además, ya que se trata de un átomo neutro, también sabremos cuántos electrones forman su corteza.

OBSERVA Y APRENDE

Un átomo tiene número atómico Z = 18 y de número másico A = 40. Considerando que es neutro, ¿qué información tienes sobre él?

Asociando el número atómico al número de protones y el número másico a la suma de protones y neutrones, escribimos: Número atómico: Z = 18→ Tiene 18 protones en el núcleo. Se trata de un átomo de argón.

Número másico: A = 40 → La suma de protones y neutrones es 40. Por tanto, el número de neutrones es: A – Z = 40 – 18 = 22 neutrones. Tiene 22 neutrones en el núcleo.

Es neutro → Cuando un átomo es neutro, tiene el mismo número de electrones que de protones. Por tanto, tiene 18 electrones en la corteza.

Indicando Z y A

Para designar un elemento químico, el número atómico se coloca como subíndice a la izquierda del símbolo, y el número másico también a la izquierda, pero como superíndice. Número másico (A) (protones + neutrones)

40 18Ar Número atómico (Z) (protones)

Este átomo de argón (Ar) tiene 18 protones y 22 neutrones en el núcleo, y 18 electrones en la corteza. El conjunto es neutro.

10. Contesta a estas cuestiones: a) Si conocemos el número atómico de un átomo, pero no su número másico, ¿qué información nos proporciona? b) ¿Cómo se define la unidad de masa atómica (u)? Consulta el código QR que aparece junto al recuadro y explícalo en un breve párrafo. 11. El número atómico de un átomo es 21 y su número másico es 45. Considerando que se trata de un átomo neutro: a) ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene? b) Realiza un dibujo esquemático del átomo. c) ¿Podrías decir de qué elemento se trata? Consulta la tabla periódica.

Según la concepción actual del átomo, los electrones de la corteza se encuentran distribuidos en capas o niveles, que se identifican con las letras mayúsculas sucesivas K, L, M, etc., pudiendo existir, en el caso de los átomos más grandes, hasta siete capas electrónicas. Estas capas o niveles se identifican con un número (n), que es mayor a medida que nos alejamos del núcleo; también es mayor la energía necesaria para que el electrón permanezca en un nivel dado cuanto más lejos del núcleo se encuentre. Esto se debe a que los protones (de carga positiva) atraen eléctricamente a los electrones (de carga negativa) y tienden a acercarlos. Sin embargo, el número de electrones que puede albergar cada nivel está limitado. Dicho número viene dado por 2n2, donde n es el número que corresponde a la capa. En consecuencia, los electrones de la corteza tienden a situarse espontáneamente en los niveles más próximos al núcleo, de manera ordenada, hasta completarlos. De este modo, se distribuyen de una forma determinada, característica de cada átomo.

La configuración electrónica de un átomo es la distribución de sus electrones en las diferentes capas que forman su corteza. Para escribir la configuración electrónica, partimos del número atómico, que coincide con el número total de electrones. Estos se colocan llenando las capas de manera sucesiva, comenzando por las más próximas al núcleo, teniendo en cuenta el número máximo de electrones que pueden situarse en cada nivel.

Nivel K = 2 e–

Nivel M = 18 e–Nivel L = 8 e–

➚Cada nivel electrónico puede albergar un número

máximo de electrones.

OBSERVA Y APRENDE

Escribe la configuración electrónica de un átomo de sodio (Na), cuyo número atómico es Z = 11, y de un átomo de cloro (Cl), de número atómico Z = 17.

En cada caso, el número atómico indica el número de protones del átomo y, si es neutro, su número de electrones. Por tanto, el átomo de sodio tiene 11 electrones en la corteza y el de cloro tiene 17 electrones.

Sodio (Na), número atómico Z = 11 → 11 p+ y 11 e–Capa K: 2 e–Capa L: 8 e–Capa M: 1 e–

Cloro (Cl), número atómico Z = 17 → 17 p+ y 17 e–Capa K: 2 e–Capa L: 8 e–Capa M: 7 e–

La configuración electrónica del sodio es K = 2 e– , L = 8 e–, M = 1 e–; mientras que la del cloro es K = 2 e–, L = 8 e–, M = 7 e–. 12. Siguiendo el procedimiento descrito, que puedes ver desarrollado en el ejemplo del sodio, escribe la configuración electrónica de los siguientes átomos: a) Litio, Li (Z = 3). b) Carbono, C (Z = 6). c) Flúor, F (Z = 9). d) Aluminio, Al (Z = 13). e) Azufre, S ( Z = 16)

13. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian un catión y un anión? Explícalo. 14. Razona en qué tipo de ion se convierten estos átomos neutros en cada caso. Haz un dibujo. a) Be (Z = 4) cuando pierde 2 electrones. b) Al (Z = 13) cuando se queda con 10 electrones. c) O (Z = 8) cuando adquiere 2 electrones más. El hecho observable de que la materia es eléctricamente neutra llevó a los científicos a postular que el átomo debe ser también neutro. Esto implica que el número de electrones que posee un átomo en su corteza coincide con el número de protones que tiene en el núcleo, según hemos estudiado. De este modo, las cargas positiva y negativa quedan compensadas. No obstante, hay ocasiones en las que un átomo puede ganar o perder electrones, produciéndose así un exceso o defecto de carga negativa.

Un ion es un átomo o agrupación de átomos que posee carga eléctrica neta distinta de cero. ➜ Si la carga neta es positiva, recibe el nombre de catión. ➜ Si dicha carga neta es negativa, se trata de un anión.

En un ion el número de electrones y el de protones no es el mismo. Esta descompensación es la que da lugar a la carga del ion.

S2–

La carga se representa con un superíndice. En este caso, indica que el átomo de azufre ha ganado dos electrones, y se ha convertido en un anión.

La regla del octeto

Se ha comprobado que los átomos tienden a ganar estabilidad cuando consiguen una configuración electrónica en la que el último nivel ocupado está completo, o bien posee un total de 8 electrones. Por tanto, hay átomos que ganan o pierden algunos electrones para cumplir con esa condición, dando lugar a iones. Observa:

Un átomo de sodio (Na) posee un único electrón en su capa más externa.

11 p+ 11 e–Este átomo tiene tendencia a ceder ese electrón más externo, convirtiéndose en un catión sodio, con una carga positiva: Na+ . 11 p+ 10 e–

Na+

Un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa más externa.

17 p+ 17 e–Su tendencia es tomar un electrón en su última capa, lo que le convierte en un anión cloruro, con una carga negativa, Cl–. 17 p+ 18 e–

Cl–