Fundamentos del Átomo: Estructura, Propiedades y Composición de la Materia

El Átomo: Unidad Fundamental de la Materia

El término átomo proviene del griego ἄτομος (átomos), que significa 'indivisible'. Toda la materia que nos rodea está constituida por átomos.

¿Qué tamaño tienen los átomos?

Los átomos son extraordinariamente pequeños. El átomo más pequeño es el de hidrógeno, cuyo diámetro es aproximadamente la diezmilmillonésima parte de un metro (es decir, 0,0000000001 metros o 1 x 10^-10 m).

Fenómenos Eléctricos y Carga Eléctrica

Los fenómenos eléctricos, como la atracción o repulsión entre cuerpos, se deben a una propiedad fundamental de la materia llamada carga eléctrica.

Carga Eléctrica

La carga eléctrica es la responsable de las interacciones electromagnéticas. Existen dos tipos de carga eléctrica:

• Positiva (+)
• Negativa (-)

Las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas de signo opuesto se atraen.

Modelos Atómicos

A lo largo de la historia, la comprensión de la estructura atómica ha evolucionado a través de diversos modelos propuestos por científicos:

• Modelo Atómico de Dalton
• Hipótesis de Avogadro (aunque no es un modelo atómico per se, fue crucial para el desarrollo de la teoría atómica)
• Modelo Atómico de Thomson (modelo del "pudín de pasas")
• Modelo Atómico de Rutherford (modelo nuclear)
• Modelo Atómico de Bohr (modelo de niveles de energía cuantizados)
• Modelo Atómico de Schrödinger (modelo mecano-cuántico o de nube de electrones)

Partículas Subatómicas Fundamentales

Los átomos están compuestos principalmente por tres tipos de partículas subatómicas:

Protones (p⁺)

Son partículas que se encuentran en el núcleo del átomo. Tienen una masa aproximada de 1 unidad de masa atómica (uma) y poseen una carga eléctrica positiva elemental (+1e).

Neutrones (n⁰)

Son partículas que también se encuentran en el núcleo del átomo (con la excepción del isótopo más común del hidrógeno, el protio, que no tiene neutrones). Tienen una masa muy similar a la del protón (aproximadamente 1 uma) y no poseen carga eléctrica, es decir, son eléctricamente neutros.

Electrones (e^-)

Son partículas muy ligeras que se encuentran orbitando alrededor del núcleo en regiones denominadas orbitales. Su masa es aproximadamente 1/1836 veces la masa del protón y poseen una carga eléctrica negativa elemental (-1e).

Propiedades Atómicas Clave

Número Atómico (Z)

El número atómico de un elemento es el número de protones presentes en el núcleo de un átomo de dicho elemento. Se representa con la letra Z. Este número es único para cada elemento químico y lo define.

Número Másico (A)

El número másico de un átomo es la suma total del número de protones y el número de neutrones en su núcleo. Se representa con la letra A. Por lo tanto, A = Z (número de protones) + N (número de neutrones).

Representación Simbólica de los Átomos

Para representar un átomo específico (un núclido), se utiliza el símbolo químico del elemento (X), con el número másico (A) como superíndice a la izquierda y el número atómico (Z) como subíndice a la izquierda: ^A_ZX.

Ionización: Formación de Iones

La ionización es el proceso por el cual un átomo o una molécula neutra gana o pierde electrones, transformándose en una partícula cargada eléctricamente llamada ion.

¿Cómo se ionizan las sustancias?

Las sustancias pueden ionizarse por diversos medios, entre ellos:

• Fricción: Al frotar ciertos materiales entre sí.
• Descargas eléctricas: Como en los rayos o en tubos de descarga.
• Colisiones: Con otras partículas de alta energía.
• Radiación: Exposición a radiación ionizante (rayos X, gamma, etc.).
• Altas temperaturas: Que pueden proporcionar suficiente energía para arrancar electrones.

Tipos de Iones: Anión y Catión

• Anión: Es un ion con carga eléctrica negativa. Se forma cuando un átomo o molécula gana uno o más electrones.
• Catión: Es un ion con carga eléctrica positiva. Se forma cuando un átomo o molécula pierde uno o más electrones.

Elementos Químicos, Sustancias y la Tabla Periódica

¿Qué es un Elemento Químico?

Un elemento químico es un tipo de materia constituida por átomos que tienen el mismo número atómico (Z), es decir, el mismo número de protones en su núcleo. Cada elemento se distingue por sus propiedades únicas y se representa por un símbolo químico específico.

Tabla Periódica de los Elementos

La Tabla Periódica es una herramienta fundamental en química que organiza todos los elementos químicos conocidos en orden creciente de su número atómico. Los elementos se agrupan en periodos (filas) y grupos (columnas) según sus propiedades químicas y configuración electrónica, lo que permite observar tendencias periódicas.

Sustancias Simples y Compuestas

• Sustancia Simple: Es aquella que está formada por átomos de un mismo elemento químico. Ejemplos: oxígeno gaseoso (O₂), hierro metálico (Fe), ozono (O₃).
• Sustancia Compuesta (o Compuesto Químico): Es aquella que está formada por átomos de diferentes elementos químicos, unidos entre sí en proporciones fijas y definidas. Ejemplos: agua (H₂O), sal de mesa (NaCl), dióxido de carbono (CO₂).

Agrupación de Átomos en Sustancias Simples

Los átomos en las sustancias simples pueden encontrarse de diferentes maneras:

1. Átomos aislados: Característico de los gases nobles (Helio (He), Neón (Ne), Argón (Ar), Kriptón (Kr), Xenón (Xe), Radón (Rn)), que son monoatómicos.
2. Grandes agrupaciones (redes cristalinas): Muchos átomos unidos fuertemente formando estructuras tridimensionales ordenadas, como en los metales (ej. Fe, Cu) o en algunas formas alotrópicas del carbono (diamante, grafito).
3. Formando moléculas: Dos o más átomos del mismo elemento unidos químicamente para formar una molécula (ej. O₂, N₂, P₄, S₈).

Agrupación de Átomos en Sustancias Compuestas

En las sustancias compuestas, los átomos de diferentes elementos se unen de diversas maneras, principalmente:

• Formando moléculas: Unidades discretas que contienen un número definido de átomos de diferentes elementos unidos por enlaces covalentes (ej. H₂O, CO₂, CH₄).
• Formando redes cristalinas (agrupaciones de iones o estructuras covalentes extendidas):
  • Compuestos iónicos: Formados por una vasta red de cationes y aniones ordenados (ej. NaCl, KBr).
  • Sólidos covalentes reticulares: Átomos unidos por una red continua de enlaces covalentes (ej. SiO₂ - cuarzo).

Símbolos y Fórmulas Químicas: El Lenguaje de la Química

¿De qué consta una Fórmula Química?

Una fórmula química es una representación abreviada de la composición de una sustancia. Utiliza los símbolos de los elementos que la componen e indica, mediante subíndices numéricos a la derecha de cada símbolo, la cantidad o proporción de átomos de cada elemento presentes en la unidad mínima de dicha sustancia (molécula o unidad formular). Si el subíndice es 1, generalmente se omite.

Es importante recordar estos conceptos clave:

• Los átomos se unen entre sí para formar moléculas o estructuras más extensas (como redes cristalinas).
• Los elementos químicos se representan mediante símbolos químicos (una o dos letras, la primera siempre mayúscula, la segunda, si existe, minúscula. Ej: H, O, Na, Cl).
• Las moléculas y las unidades formulares de los compuestos químicos se representan mediante fórmulas químicas (Ej: H₂O, NaCl, C₆H₁₂O₆).

Ejemplos de Elementos Comunes y sus Símbolos

• Oxígeno (O)
• Calcio (Ca)
• Plomo (Pb)
• Hierro (Fe)
• Carbono (C)
• Cloro (Cl)
• Azufre (S)
• Sodio (Na)
• Potasio (K)
• Hidrógeno (H)
• Litio (Li)
• Oro (Au)
• Plata (Ag)
• Cobre (Cu)