Modelos Atómicos, Sustancias, Reacciones Químicas y Aplicaciones en la Ciencia

Modelos Atómicos: Evolución y Características

Modelo de Dalton

El modelo atómico de Dalton, propuesto a principios del siglo XIX, sentó las bases de la química moderna. Sus postulados principales son:

• La materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos.
• Los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades.
• Los átomos de diferentes elementos tienen masa y propiedades distintas.
• Los compuestos se forman por la unión de átomos de diferentes elementos en proporciones fijas y sencillas.
• En las reacciones químicas, los átomos se reorganizan, pero no se crean ni se destruyen.

Éxitos del modelo de Dalton:

• Explica por qué las sustancias se combinan en proporciones definidas (Ley de las proporciones definidas).
• Justifica la gran diversidad de sustancias a partir de un número limitado de elementos.
• Explica las leyes ponderales de la química (conservación de la masa, proporciones definidas y múltiples).

Limitaciones del modelo de Dalton:

• Considera a los átomos como indivisibles, lo cual es incorrecto.
• No puede explicar los fenómenos eléctricos ni la existencia de isótopos.

Modelo de Thomson

J.J. Thomson, a finales del siglo XIX, propuso un modelo que incorporaba la existencia de electrones (partículas con carga negativa) dentro del átomo. Según Thomson:

• El átomo es una esfera de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones, como pasas en un pudín.
• La carga positiva total del átomo es igual a la carga negativa total de los electrones, por lo que el átomo es eléctricamente neutro.

Éxitos del modelo de Thomson:

• Demuestra la divisibilidad del átomo.
• Explica los fenómenos eléctricos, como la electrización y la formación de iones.

Limitaciones del modelo de Thomson:

• No define un núcleo atómico.
• No puede explicar la estabilidad del átomo ni los espectros atómicos.
• No tiene el número atómico.

Modelo de Rutherford

Ernest Rutherford, a principios del siglo XX, realizó el famoso experimento de la lámina de oro, que llevó a un nuevo modelo atómico:

• El átomo está formado por un núcleo central muy pequeño, con carga positiva, donde se concentra casi toda la masa del átomo.
• Los electrones, con carga negativa, giran alrededor del núcleo en órbitas, formando la corteza atómica.
• El número de protones (carga positiva) del núcleo es igual al número de electrones de la corteza, por lo que el átomo es neutro.
• La mayor parte del átomo es espacio vacío.

Éxitos del modelo de Rutherford:

• Explica los resultados del experimento de la lámina de oro.
• Introduce el concepto de núcleo atómico.

Limitaciones del modelo de Rutherford:

• Según la física clásica, los electrones en órbita deberían emitir energía y caer en espiral hacia el núcleo, haciendo que el átomo fuera inestable.
• No explica los espectros atómicos discretos.

Moléculas y Tipos de Sustancias

Molécula

Una molécula es una agrupación de un número definido de átomos, unidos por enlaces covalentes. Existen moléculas de elementos (formadas por átomos del mismo elemento, como O₂) y de compuestos (formadas por átomos de diferentes elementos, como H₂O).

Sustancias Iónicas

Las sustancias iónicas están formadas por redes cristalinas de iones (átomos o grupos de átomos con carga eléctrica positiva o negativa):

• Estado físico: Sólidas a temperatura ambiente.
• Puntos de fusión y ebullición: Elevados.
• Solubilidad: Solubles en agua y otros disolventes polares.
• Conductividad eléctrica: Conducen la electricidad en disolución acuosa o fundidas, pero no en estado sólido.

Sustancias Covalentes

Las sustancias covalentes pueden ser moleculares o formar redes cristalinas covalentes:

• Sustancias covalentes moleculares:
  • Estado físico: Líquidas o gaseosas a temperatura ambiente.
  • Puntos de fusión y ebullición: Bajos.
  • Solubilidad: Solubles en disolventes apolares.
  • Conductividad eléctrica: No conductoras.
• Sustancias covalentes reticulares (o redes cristalinas covalentes):
  • Estado físico: Sólidas.
  • Puntos de fusión y ebullición: Muy altos.
  • Solubilidad: Insolubles en casi todos los disolventes.
  • Conductividad eléctrica: Generalmente no conductoras (excepto el grafito).

Metales

Los metales forman redes cristalinas de cationes (iones positivos) sumergidos en un "mar" de electrones deslocalizados:

• Estado físico: Sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, Hg, que es líquido).
• Puntos de fusión y ebullición: Generalmente altos, aunque variables.
• Solubilidad: Insolubles en agua y disolventes orgánicos, pero pueden formar aleaciones entre sí.
• Conductividad eléctrica: Excelentes conductores del calor y la electricidad.

Conceptos Químicos Fundamentales

Masa Molecular

La masa molecular de una sustancia es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que aparecen en su fórmula química.

Composición Centesimal

La composición centesimal de un compuesto indica el porcentaje en masa de cada elemento presente en el compuesto.

Mol

Un mol es la cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.) como átomos hay en 0,012 kg de carbono-12. Este número de entidades es el número de Avogadro, aproximadamente 6,022 x 10²³.

Masa Molar

La masa molar de una sustancia es la masa de un mol de dicha sustancia. Se expresa en gramos/mol y su valor numérico coincide con la masa atómica o molecular, pero expresada en gramos.

Reacciones Químicas: Tipos y Ejemplos

Las reacciones químicas son procesos en los que unas sustancias (reactivos) se transforman en otras (productos). Algunos tipos comunes de reacciones son:

• Síntesis: Dos o más reactivos se combinan para formar un producto más complejo (A + B → AB).
• Descomposición: Un reactivo se descompone en dos o más productos más simples (AB → A + B).
• Desplazamiento (simple sustitución): Un elemento reacciona con un compuesto y desplaza a otro elemento del compuesto (A + BC → AC + B).
• Doble desplazamiento (doble sustitución): Dos compuestos intercambian iones o grupos de átomos (AB + CD → AD + CB).
• Combustión: Una sustancia reacciona rápidamente con el oxígeno, liberando calor y luz. Generalmente, un hidrocarburo reacciona con oxígeno para formar dióxido de carbono y agua.

Aplicaciones de la Química en la Medicina y la Industria

Medicamentos

• Vacunas: Previenen enfermedades infecciosas (ej. tétanos).
• Antibióticos: Combaten infecciones bacterianas (ej. penicilina, derivada del hongo *Penicillium notatum*).
• Analgésicos y antipiréticos: Alivian el dolor y reducen la fiebre (ej. paracetamol).
• Antiinflamatorios: Reducen la inflamación (ej. ibuprofeno).
• Desinfectantes: Eliminan microorganismos de superficies (ej. agua oxigenada).

Radiactividad y Energía Nuclear

Tipos de Radiaciones

• Radiación alfa (α): Emisión de partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio). Tienen carga positiva y son poco penetrantes.
• Radiación beta (β): Emisión de electrones (β-) o positrones (β+). Son más penetrantes que las partículas alfa.
• Radiación gamma (γ): Emisión de ondas electromagnéticas de alta energía. Es la radiación más penetrante.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado (como el uranio-235) en dos núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía y neutrones. Estos neutrones pueden inducir nuevas fisiones, generando una reacción en cadena.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros (como los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio) para formar un núcleo más pesado, liberando una enorme cantidad de energía. Es la fuente de energía de las estrellas.

Problemas Medioambientales

Lluvia Ácida

La lluvia ácida es la precipitación (lluvia, nieve, niebla, etc.) con un pH anormalmente bajo (ácido). Se produce por la emisión a la atmósfera de óxidos de azufre y nitrógeno, principalmente provenientes de la quema de combustibles fósiles, que reaccionan con el agua atmosférica formando ácidos sulfúrico y nítrico.

Efecto Invernadero

El efecto invernadero es un fenómeno natural por el cual ciertos gases presentes en la atmósfera (gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua) retienen parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, manteniendo la temperatura del planeta en un rango adecuado para la vida. El aumento de la concentración de estos gases debido a actividades humanas está intensificando el efecto invernadero, provocando un calentamiento global.

Nikola Tesla

Nikola Tesla (1856-1943, aunque en el texto original se indica erróneamente 1744-1829) fue un inventor, ingeniero eléctrico y mecánico serbio-estadounidense. Es conocido por sus numerosas invenciones en el campo del electromagnetismo, incluyendo el desarrollo del sistema de corriente alterna (CA) para la distribución de energía eléctrica, que compitió con el sistema de corriente continua (CC) de Thomas Edison.