La Materia y los Elementos: Propiedades y Estructura Atómica

LA MATERIA Y LOS ELEMENTOS

1. LA MATERIA

Un sistema material es una proporción específica de materia, confinada en una porción de espacio, que se selecciona para estudiarla.

Cuando hablamos de las propiedades de un sistema material, debemos diferenciar entre:

• Propiedades extensivas: Dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño del sistema. Por tanto su valor es proporcional al tamaño del sistema. Por ejemplo, la masa o el volumen.
• Propiedades intensivas: No dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño del sistema, sino de la naturaleza de la sustancia que forma el sistema. Así, su valor permanece inalterable aunque dividamos el sistema en subsistemas menores. Por ejemplo, la temperatura de fusión, el color o la conductividad eléctrica.

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Como hemos visto, las sustancias puras tienen composición constante y se diferencian de otras sustancias puras por unas determinadas propiedades físicas (por ejemplo, la densidad, la solubilidad o la temperatura de fusión son características propias de cada sustancia pura).

Podemos dividir las sustancias puras en dos clases:

• Elementos: Aquellas sustancias que, por procesos químicos, no pueden separarse en sustancias más simples.
• Compuestos: Aquellas sustancias que, por procesos químicos, se pueden separar en elementos o sustancias más simples.

2. EL ÁTOMO

TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

1. La materia está formada por pequeñas partículas, separadas e indivisibles, llamadas átomos.
2. Los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa y propiedades iguales.
3. Los átomos de diferentes elementos tienen distinta masa y diferentes propiedades.
4. Los átomos de elementos distintos pueden unirse en cantidades fijas para originar compuestos (átomos compuestos), siendo los átomos de un determinado compuesto también iguales en masa y en propiedades.

A partir de la teoría atómica de Dalton, podemos definir el átomo así:

Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico, que conserva las propiedades de dicho elemento.

Dalton también estableció la diferencia entre un elemento y un compuesto:

Un elemento es una sustancia formada por átomos iguales.

Un compuesto es una sustancia formada por la unión de átomos distintos en una relación numérica sencilla.

ESTRUCTURA ATÓMICA

Aunque la teoría de Dalton resultó de gran utilidad para interpretar la composición de la materia y sus propiedades, no daba explicación a algunas experiencias que ponen de manifiesto la naturaleza eléctrica de la materia. Si los fenómenos eléctricos demostraban que la materia podía ganar o perder cargas eléctricas en el interior de los átomos, ¿significaba este hecho que el átomo era divisible? De ser así, la teoría de Dalton era errónea.

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, el estudio de la conductividad eléctrica a través de los gases llevó al descubrimiento de las dos primeras partículas subatómicas responsables de la carga de la materia: el electrón y el protón. Por tanto, el átomo era divisible y Dalton estaba equivocado.

Partículas subatómicas.

• El electrón. En 1987, el físico británico J.J.

Los electrones (e-) son partículas de carga negativa y de muy poca masa.

• El protón. En 1886, el físico alemán E. Goldstein.

Los protones (p+) son partículas de carga positiva y de masa 1837 veces mayor que la de los electrones.

• El neutrón. En 1932, el físico británico J. Chadwick.

Los neutrones (n0) son partículas de masa semejante a la del protón y sin carga eléctrica.

MODELOS ATÓMICOS

Modelo atómico de Thomson.

En 1904, Joseph Thomson propuso un modelo muy elemental para describir el átomo. Cómo la materia es eléctricamente neutra, Thomson consideró que el átomo debía de ser una esfera maciza de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

Se trata de un modelo estático en el que los átomos podían perder electrones, con lo que justificaba fenómenos como la electrización.

Modelo atómico de Rutherford

En 1911, Ernest Rutherford observó que algunas de las partículas emitidas, por una sustancia radiactiva, sufrían una desviación significativa en su trayectoria al atravesar una delgada lámina de oro.

• La mayor parte de la masa del átomo y toda su carga positiva se encuentran reunidas en una zona central minúscula llamada núcleo. Cuando una partícula alfa pasaba cerca del núcleo en el experimento, se veía sometida a una fuerza de repulsión y sufría una gran desviación.
• Fuera del núcleo, los electrones, en igual número que las unidades de carga positiva, giran en órbitas circulares alrededor de este.

De este modo, demostró que los átomos no son macizos, sino que están vacíos en su mayor parte. Por eso, la mayoría de las partículas atravesaron la lámina de oro, sufriendo poca o ninguna desviación. Además, ya intuyó la presencia de neutrones en el núcleo.

Modelo atómico de Bohr

El físico danés Bohr partió del modelo de Rutherford y le incorporó los principios de la mecánica cuántica desarrollada por Max Planck y el efecto fotoeléctrico descubierto por Albert Einstein años antes.

De este modo y tomando como base el átomo de hidrógeno, Bohr propuso en 1913 un modelo atómico con tres postulados fundamentales:

1. Los electrones giran en torno al núcleo en órbitas circulares de radios definidos. Se trata de órbitas estacionarias en las que no se emite ni absorbe energía.
2. En cada una de estas órbitas solo puede haber un número dado de electrones, con una energía determinada en cada caso. No todas las órbitas son posibles: existen órbitas permitidas y otras prohibidas.
3. Para que un electrón cambie de una órbita permitida a otras, es necesario modificar su energía en una cantidad determinada.

Del modelo de Bohr al modelo atómico actual

En 1915, el alemán Arnold Sommerfeld modificó el modelo introduciendo también órbitas elípticas.

El descubrimiento del neutrón en 1932 completó la descripción del modelo atómico desarrollado por Rutherford y Bohr. Así, el átomo consta de dos partes bien diferenciadas: el núcleo y la corteza.

• El núcleo es la parte central del átomo y en él se encuentran los protones y los neutrones.

La masa de un átomo se concentra en el núcleo, ya que la masa de los electrones es insignificante en comparación con la de los protones y neutrones.

• La corteza es la parte exterior del átomo y contiene los electrones, que giran en órbitas circulares alrededor del núcleo.

En todos los átomos, el número de protones del núcleo es igual al número de electrones de la corteza, por lo que el átomo es eléctricamente neutro.

El volumen que ocupa el átomo es aproximadamente 10,000 veces mayor que el volumen del núcleo.

Los nuevos avances en la mecánica cuántica, de científicos como Louis De Broglie, Werner Heisenberg y Erwin Schrodinger, obligaron a proponer el modelo atómico actual: el modelo de orbitales.

En el modelo actual, los electrones no describen órbitas definidas en torno al núcleo, sino que se encuentran distribuidos ocupando orbitales.

Los orbitales son regiones de espacio, en torno al núcleo, donde la probabilidad de encontrar un electrón con una determinada energía es muy grande.

Los orbitales están agrupados en niveles energéticos que se numeran del 1 al 7 por orden creciente de la energía que posee el electrón.

NÚMERO ATÓMICO Y NÚMERO MÁSICO

¿Cómo podemos diferenciar un átomo de otro? Los átomos de un mismo elemento se identifican mediante un parámetro característico: el número de protones que contienen en su núcleo. Este parámetro se denomina número atómico.

El número atómico, Z, es el número de protones de un átomo y determina el número de que se trata.

Como los electrones apenas tienen masa, la masa de un átomo se corresponde básicamente con la suma de la masa de los protones y neutrones del siguiente modo:

El número másico, A, indica la suma del número de protones y de neutrones que tiene el núcleo de un átomo.

La unidad de masa atómica.

La unidad de masa atómica, u, se define como la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 (12C) y coincide aproximadamente con la masa de un protón.

IONES

Un ion es un átomo o un grupo de átomos que ha ganado o perdido uno o más electrones, por lo que ha adquirido carga eléctrica negativa o positiva.

Un ion positivo o catión se forma cuando un átomo de un elemento pierde uno o más electrones y adquiere carga positiva.

Un ion negativo o anión se forma cuando un átomo de un elemento gana uno o más electrones y adquiere carga negativa.

Un ion se representa mediante el símbolo del que procede con un superíndice a la derecha, que indica su carga. Si la carga de un ion es 1, se escribe solamente su signo, omitiendo la cifra 1. Por ejemplo, el catión de calcio se representa como Ca2+ y el anión de cloruro, como Cl -

ISÓTOPOS

Denominamos isótopos a los átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico (Z), pero distinto número másico (A).

4. LA TABLA PERIÓDICA

El científico ruso Dimitri Mendeleiev en 1869 y el alemán Lothar Meyer en 1870 presentaron su célebre Tabla Periódica.

En ella, los elementos aparecían agrupados por familias y clasificados por orden creciente de masa atómica. Sin embargo, para que algunos elementos quedaran agrupados en la familia que les corresponde según sus propiedades, era necesario invertir el orden en algunos casos y dejar huecos en otros.

El problema se resolvió en 1914 cuando el científico británico Henry Moseley encontró una manera experimental de determinar el número atómico. Colocar los elementos en orden creciente de número atómico y observó que todos quedaban en el lugar adecuado según sus propiedades.

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE UN ELEMENTO

La configuración o estructura electrónica de un elemento es la distribución de los electrones de sus átomos en los orbitales de los distintos niveles. 

Los electrones se encuentran en orbitales, que se agrupan en siete niveles energéticos. En cada nivel hay un número determinado de subniveles, que se denominan s,p,d y f. A su vez, en cada subnivel existen un número determinado de orbitales pueden contener, como máximo, dos electrones en cada uno. 

GRUPOS Y PERIODOS

En la Tabla Periódica los elementos se colocan de izquierda a derecha y de arriba a abajo en orden creciente de su número atómico (Z). 

Así, la posición que ocupa cada elemento depende de su número de protones (y, por lo tanto también de electrones). Es precisamente la configuración electrónica de cada elemento la que determina su comportamiento y sus propiedades químicas.

Los elementos están ordenados en siete filas horizontales llamadas periodos y en dieciocho columnas verticales denominadas grupos: 

• Los elementos de un mismo periodo tienen el mismo número de niveles electronico, completados o no. (Este número coincide con el número del periodo)

• Los elementos de un mismo grupo tienen la misma estructura electronica en su nivel más externo y por tanto, sus propiedades químicas son semejantes. 

LAS PROPIEDADES PERIÓDICAS

Una de las propiedades más importantes de los elementos en su carácter metálico, que está relacionado con su tendencia a ganar o perder electrones y, por tanto, a formas iones negativos o positivos. 

El carácter metálico aumenta al desplazarnos hacia la izquierda en un periodo y descender hacía abajo en un grupo. Así, tenemos la siguiente disposición: 

• Los metales aparecen en la parte central y a la izquierda de la Tabla. Tienen tendencia a perder electrones. 

• Los no metales se sitúan a la derecha. Tienen tendencia a capturar electrones.

• Entre ambos grupos se hallan elementos cuyas propiedades son intermedias, los semimetales: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po y At. 

• Los gases nobles forman un grupo especial, ya que aunque podrían ser considerados como no metales, en realidad no tienen tendencia ni a ganar ni a perder electrones.

La particularidad de los gases nobles es que tienen su nivel más externo completo, lo  que les confiere gran estabilidad. Está configuración electronica se denomina configuración electrónica del gas noble.