Models atòmics i propietats dels àtoms: Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr

Introducció històrica

A l'antiga Grècia, Leucip i Demòcrit (460–370 aC) van suposar que la matèria estava constituïda per unitats indivisibles anomenades àtoms. Aquesta idea de l'àtom va quedar en l'oblit fins que el britànic John Dalton (1766–1844) va proposar la primera teoria atòmica amb caràcter científic.

Model atòmic de Dalton

Model atòmic de Dalton: Dalton deia que la matèria estava formada per àtoms, que són esferes massisses i indivisibles. Va establir diferents postulats que es poden resumir així:

• Els elements són substàncies formades per un únic tipus d'àtoms.
• Els àtoms d'un mateix element químic són iguals entre si i diferents dels àtoms d'altres elements.
• Els àtoms de diferents elements es combinen en relacions numèriques senzilles per formar substàncies anomenades compostos.

Exemples: elements H, O, C; compostos H2O, CO2.

Model atòmic de Thomson

Model atòmic de Thomson: El britànic J. J. Thomson va proposar un model en què l'àtom era una esfera carregada positivament i, en el seu interior, hi havia els electrons dispersos, de manera que l'àtom era elèctricament neutre.

Model atòmic de Rutherford

Model atòmic de Rutherford: El físic britànic Ernest Rutherford i el seu col·laborador alemany Hans Geiger van realitzar experiment(s) que els van permetre demostrar que l'àtom té un nucli central molt petit i positiu i una escorça exterior formada per electrons que descriuen òrbites.

Model atòmic de Bohr

Model atòmic de Bohr: El danès Niels Bohr, l'any 1913, va proposar que l'àtom tenia un nucli amb càrrega positiva i que els electrons estaven situats en capes concèntriques que corresponien a valors d'energia determinats.

Model atòmic actual

Model atòmic actual: Aquest model ha evolucionat gràcies a l'aportació de diferents físics. Consisteix en un nucli molt petit respecte del volum total de l'àtom. El nucli té càrrega elèctrica positiva i està format per protons (càrrega positiva) i neutrons (sense càrrega). En el nucli es concentra gairebé tota la massa de l'àtom. L'escorça és la zona que envolta el nucli i conté els electrons, que tenen càrrega negativa i una massa molt petita.

L'àtom és elèctricament neutre i el nombre d'electrons de l'escorça és igual al nombre de protons del nucli.

Nombre atòmic i massa atòmica

Nombre atòmic (Z): és el nombre de protons que té un àtom i es representa amb la lletra Z.

Massa atòmica o massa mésica (A): és la suma del nombre de protons i del nombre de neutrons d'un àtom i es representa amb la lletra A.

Isòtops

Isòtops: Són àtoms que, tot i ser del mateix element, són diferents entre si. El nombre de protons és el mateix però el que varia és el nombre de neutrons.

Ions

Ions: Un ió és un àtom que ha guanyat o perdut electrons. Podem trobar dos tipus:

• Anió: és un ió carregat negativament i s'expressa amb el símbol de l'àtom amb un superíndex negatiu. L'anió és un àtom que ha guanyat electrons.
• Catiò: és un ió carregat positivament i també s'expressa posant el símbol de l'àtom amb un superíndex positiu. El catiò és un àtom que ha perdut electrons.

Configuració electrònica

Configuració electrònica: La configuració electrònica d'un àtom és la distribució dels seus electrons en els diferents orbitals i suborbitals. Els electrons que es troben a l'última òrbita s'anomenen electrons de la capa de valència.

Regla de l'octet

Regla de l'octet: En la formació d'un compost, un àtom tendeix a guanyar, perdre o compartir electrons fins que el nombre d'electrons de la seva capa de valència és igual a vuit, situació de màxima estabilitat (excepte alguns casos com l'heli).

Distribució dels electrons

La capacitat màxima d'electrons que pot haver-hi en una òrbita està limitada i depèn del nivell energètic i de l'orbital.

Classificació dels elements químics

L'estructura electrònica dels àtoms d'un element determina el seu comportament químic i moltes de les seves propietats. En funció d'aquestes propietats, classifiquem els elements en:

• Metalls: constitueixen el grup majoritari dels elements. Tenen aspecte metàl·lic, es troben en estat sòlid a temperatura ambient (excepte el mercuri, que és líquid), són ductils (es poden estirar com un fil) i mal·leables (es poden formar làmines amb facilitat). Són bons conductors de l'electricitat i tendeixen a perdre electrons per formar cations.
• Semimetalls o metaloides: tenen propietats intermèdies entre els metalls i els no metalls; normalment són sòlids a temperatura ambient i formen cations amb dificultat.
• No metalls: es poden trobar en els tres estats d'agregació a temperatura ambient; la majoria són sòlids tous. No són bons conductors de la calor ni de l'electricitat i tendeixen a guanyar electrons per formar anions.
• Gasos nobles: es troben en estat gasós a temperatura ambient i, en condicions normals, són molt estables; per tant, reaccionen poc amb altres elements i no formen fàcilment compostos ni ions.

Taula periòdica

La taula periòdica va ser dissenyada al segle XIX i millorada al llarg dels anys. El rus Mendeleiev va dissenyar una taula col·locant els elements en ordre creixent de les seves masses atòmiques i observant les seves propietats. La taula s'agrupa segons periodes (files) i grups (columnes). Els elements que es troben en un mateix grup tenen el mateix nombre d'electrons a l'últim nivell i propietats químiques similars. Els elements situats en un mateix període tenen els electrons més externs al mateix nivell o capa.

Electrons en els grups

Exemples d'electrons a l'últim nivell segons el grup:

• Els àtoms del grup 1, 2 i 13 tenen respectivament 1, 2 i 3 electrons a l'últim nivell.
• Els elements del grup 14 tenen quatre electrons; per tant, poden perdre o guanyar electrons.
• Els elements dels grups 15, 16 i 17 tenen respectivament 5, 6 i 7 electrons; tendeixen a guanyar 3, 2 i 1 electró, respectivament.
• Els àtoms dels grups 3 al 12 són els elements anomenats metalls de transició i formen ions positius amb diferents càrregues. El grup 18 correspon als gasos nobles i tenen 8 electrons a la capa de valència (última òrbita), situació de màxima estabilitat; excepte l'heli, que en té 2.