Estructura del Átomo: Modelos Atómicos, Radiactividad, Propiedades Periódicas y Espectros

Estructura de la materia y el átomo

Se contempla la naturaleza eléctrica de la materia. Se considera el átomo como una esfera maciza positiva en cuyo interior encontramos los electrones (cargas negativas), de tal manera que la carga sea nula. Así se puede explicar la corriente eléctrica, los rayos catódicos (-) y los rayos canales (+).

Experimento de Rutherford

Rutherford coloca dentro de un recipiente de plomo una delgadísima lámina de oro. Un emisor de partículas emite un fino haz de partículas que atraviesan la lámina de oro. La mayor parte de las partículas atraviesa la lámina sin problemas, algunas sufren pequeñas desviaciones y la menor parte rebotan. La deducción de estas desviaciones es la siguiente:

• La zona de tamaño del átomo es muy reducida, donde se concentraría la masa del átomo y la carga positiva (núcleo atómico).
• La mayor parte del átomo debe ser vacía (por eso las partículas la atraviesan).
• Para conseguir la neutralidad del átomo, sitúa electrones alrededor del núcleo.

Modelo atómico de Bohr

Bohr postuló:

1. Los electrones se mueven en órbitas circulares en torno al núcleo sin emitir energía.
2. El electrón en su órbita tiene una energía que solo puede tener uno de los valores determinados. Cuanto más cercana está la órbita al núcleo, menor es su energía.
3. Los átomos emiten energía cuando los electrones saltan de una órbita superior a otra inferior.

Para justificar anomalías del modelo de Bohr, Sommerfeld sugirió que las órbitas podían ser elípticas.

Descargas en gases y rayos catódicos y canales

Se desarrolló una técnica para estudiar la conductividad eléctrica de los gases, que consistía en introducir una pequeña muestra de gas en un tubo de vidrio al vacío y provisto de dos electrodos metálicos. Al producirse la descarga eléctrica, el tubo se llenaba de la luz característica de cada gas introducido.

Además, se producía una radiación invisible procedente del cátodo: los rayos catódicos, formados por partículas mucho más pequeñas que los átomos y con carga negativa, las mismas para todos los elementos. Se las denominó electrones.

Los rayos canales tienen carga positiva, ya que se desvían hacia la placa negativa cuando se conecta un campo eléctrico. Los rayos canales están formados por protones.

En los tubos de descargas se producen, por tanto, dos tipos de radiaciones: rayos catódicos y rayos canales.

Rayos X

Si dentro de un tubo de descarga se introduce una pieza metálica adicional llamada anticátodo, se genera una nueva radiación capaz de atravesar materiales de gran espesor, ennegrecer placas fotográficas y no desviarse ante un campo eléctrico o magnético, lo que significa que no tiene carga eléctrica. Es una luz no visible.

Radiactividad

La radiactividad consiste en la emisión espontánea de partículas o/y de radiación X por parte de este tipo de sustancias. Al someterla a la acción de campos eléctricos y magnéticos, la radiactividad no es una radiación pura. Existen 3 tipos de emisiones:

• Alfa (α): núcleos de helio (2p y 2n) que, por su carga positiva, se desvían bajo la acción del campo eléctrico. Son poco penetrantes pero de alto poder de ionización.
• Beta (β): partículas de carga negativa y velocidad cercana a la de la luz; se desvían bajo la acción del campo eléctrico y son casi 100 veces más penetrantes que las alfa, pero de poder ionizante menor.
• Gamma (γ): radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia y elevada energía. No se desvían y son más penetrantes que las alfa y beta.

Propiedades periódicas

Radio atómico

Es la mitad de la distancia entre dos núcleos idénticos, bien en un cristal (radio metálico), bien en una molécula (radio covalente). Por tanto, el valor del radio atómico dependerá siempre del tipo de enlace que presenten los átomos.

En un periodo

La carga nuclear aumenta regularmente y el número de e⁻ crece en la misma proporción, pero estos completan orbitales del mismo nivel energético. Como el núcleo cada vez tiene más protones, atrae a los e⁻ del mismo nivel con mayor fuerza y, en consecuencia, las nubes electrónicas se contraen.

En un grupo

La carga nuclear y el número de e⁻ se incrementan, y aumentan tanto las atracciones núcleo-electrón como las repulsiones electrón-electrón.

Radio iónico

El radio iónico de un elemento se define como el radio que tiene un átomo cuando ha perdido o ganado e⁻ al entrar a formar parte de una red cristalina. El radio de cualquier ion positivo (catión) es siempre menor que el de su átomo neutro. El radio de cualquier ion negativo (anión) es siempre mayor que el de su átomo neutro.

Electronegatividad

La electronegatividad es la capacidad que tiene un átomo de un elemento dado de atraer hacia sí el par de electrones compartidos de un enlace covalente. También sirve para reflejar el mayor o menor carácter metálico de los elementos.

Energía de ionización

La energía de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo neutro en forma de gas y en su estado electrónico más fundamental. En un periodo, cuanto más arriba y a la derecha se encuentra un elemento, mayor es su energía de ionización. El electronvoltio es una unidad de energía en la escala atómica.

Afinidad electrónica

La afinidad electrónica es la energía intercambiada cuando se añade un e⁻ a cada uno de los átomos que componen un mol de un elemento en estado gaseoso:

[X(g) + e⁻ → X⁻(g) + A.E.]

Espectros atómicos

El espectro atómico es un reflejo de la estructura interna del átomo y, un modelo atómico, para ser aceptado, debe ser capaz de explicar la forma de los mismos. Los espectros atómicos de los átomos en estado gaseoso son discontinuos y cada elemento químico presenta un espectro diferente que sirve para identificarlos.

La espectroscopia atómica consiste en vaporizar distintos elementos con una llama caliente y observar la aparición de luces con colores característicos.

Espectros de absorción

Si se hace pasar un rayo de luz blanca a través de los vapores de un elemento, se obtiene un espectro de absorción. Al descomponer la luz blanca aparece una serie de bandas oscuras, justamente en los lugares en los que el elemento atravesado emitiría luz en su espectro de emisión.

Espectro de emisión

La posición de las rayas en los espectros de absorción y emisión coincide. El espectro de absorción se produce porque los electrones atómicos pasan de un orbital a otro, absorbiendo radiaciones determinadas. El espectro de emisión se produce cuando los electrones atómicos saltan de sus orbitales a otros de menor energía, desprendiendo luz.

Puesto que el espectro de emisión y el de absorción coinciden y no dependen del compuesto estudiado, sino del elemento, queda claro que los espectros atómicos están relacionados con los átomos, que deben tener una estructura interna que dé cuenta de ambos tipos de espectros.