I GENERALIDADES

I     GENERALIDADES

Átomo y teoría atómica

Introducción

Desde la antigüedad el hombre ha creado ideas y teorías filosóficas sobre el átomo, específicamente sobre la composición, estructura, naturaleza de sus partes y concepto; a tal grado que hoy en día existen estudios serios y profundos sobre tales temas, los que a continuación se abordan de forma breve.Este tema nos da la oportunidad de un estudio oficial, del cual ofrecemos un resumen del contenido.

Finalmente, recordaremos que el carácter de la materia le da una significación e importancia especial, por esta razón la información que se proporciona es el soporte para conocer globalmente el punto tratado para que sirva como base importante en la consolidación del sentido del tema.

Alrededor del 400 antes de C. el filósofo griego Demócrito sugirió la idea de que toda la materia está constituida de partículas elementales minúsculas, discretas e indivisibles denominadas átomos. La palabra átomo tenía el significado de no divisible.

Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años hasta que John Dalton en 1808, estableció su Teoría Atómica para justificar las leyes de la combinación química. Sus postulados pueden resumirse así:

1 Un elemento está formado por partículas pequeñas e indivisible llamadas átomos.

2 Todos los átomos de un elemento tienen propiedades idénticas y distintas de los átomos de otro elemento.

3 Los átomos se combinan entre sí para formar moléculas de compuestos en proporciones fijas para cada compuesto.

Resumen

El nombre «átomo» proviene del latín atomum, y este del griego ?t?µ?? 'sin porciones, indivisible'; también, se deriva de a- ('no') y tómo (divisible). El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, no fueron considerados seriamente por los científicos hasta el siglo XIX, cuando fueron introducidos para explicar ciertas leyes químicas. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su diámetro y masa son del orden de la billonésima parte de un metro y cuatrillonésima parte de un gramo. Solo pueden ser observados mediante instrumentos especiales tales como un microscopio de efecto túnel. Más de un 99,94% de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una transmutación mediante desintegración radioactiva. Los electrones en la nube del átomo están repartidos en distintos niveles de energía u orbitales, y determinan las propiedades químicas del mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o absorción de radiación electromagnética en forma de fotones, y son la base de la espectroscopia.

Teorías atómicas

El átomo es un constituyente de la materia ordinaria, con propiedades químicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes más elemental sin propiedades químicas bien definidas. Cada elemento químico está formado por átomos del mismo tipo (con la misma estructura electrónica básica), y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Actualmente se conoce que el átomo está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se había pensado que los átomos eran indivisibles, de ahí su nombre a-tómo- 'sin división'. Poco después se descubrió que también el núcleo está formado por partes, como los protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagnética.

Los átomos se clasifican de acuerdo al número de protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones determina su isótopo. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es eléctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.

Por lo que el concepto correcto de átomo es el siguiente:

Lo de representativa significa que, mientras un átomo permanezca entero o completo entonces posee las propiedades químicas y físicas de la sustancia pura que representa; sobre lo de su tamaño pequeño, se dice que el átomo es tan extremadamente pequeño que en un milímetro de papel hay mil billones de átomos de Hidrogeno, Oxigeno y Carbono, unidos en moléculas, los cuales pueden verse de forma borrosa con un microscopio superpotente.

Composición atómica:

La materia está formada de átomos, y el átomo ¿de qué esta forma do o compuesto? Pues bien, se dice que el átomo está formado o lo componen muchísimas partículas más pequeñas que él, llamadas partículas sub-atómicas, como el neutrino, fotón, neutrón, electrón, protón, quark, positrón, neutrinos, mesones, muones, antiprotones, etc.; sin embargo, se acepta mundialmente de que el átomo está formado principalmente por tres partículas sub-atómicas: electrón, protón y neutrón.

Sabemos que la materia contiene energía, una clase más que otra, y esa energía se localiza precisamente en las partículas anteriores, excepto el neutrón; el electrón es la partícula del átomo que transporta la energía eléctrica negativa (-), mientras que el protón transporta la energía eléctrica positiva (+), y el neutrón no posee carga eléctrica, por lo que es una partícula neutra.

Todas estas partículas están presentes en un átomo, menos en el átomo de Hidrogeno llamado protio, que no contiene neutrones; así mismo, todas ellas tienen masa, peso, volumen y un símbolo, así:

Características de las sub-partículas fundamentales del átomo.

Todos los átomos de un elemento químico tienen la misma cantidad de electrones y protones, por ejemplo, todos los átomos del Oxigeno tienen ocho protones y ocho electrones. Respecto al tamaño, la partícula más grande es el neutrón, luego menos grande el protón y por último el electrón. En lo referente al peso, el neutrón es la partícula más pesada, mucho menos el protón y casi nada el electrón. En la práctica solo se toman en cuenta la masa del neutrón y la del protón, que juntas forman la masa atómica, despreciándose la del electrón, pues su masa pesa 1,836 veces menos que la masa del protón (como la tierra y el sol).

Estructura atómica

Conocemos ya que cualquier átomo (excepto el protio) está formado principalmente por tres partículas sub-atómicas: protones, electrones y neutrones. Ahora toca saber cómo estas partículas están distribuidas dentro del átomo, lo que es mejor conocido como estructura atómica. La esfera atómica la podemos dividir en dos zonas o regiones: el núcleo (esfera interior) y la corteza (esfera exterior).

Regiones del átomo

El núcleo atómico

Los protones y neutrones de un átomo se encuentran ligados en el núcleo atómico, la parte central del mismo. El volumen del núcleo es aproximadamente proporcional al número total de nucleones, el número másico A, lo cual es mucho menor que el tamaño del átomo, cuyo radio es del orden de 105 fm o 1 ångström (Å). Los nucleones se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión eléctrica entre los protones. Los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones, que se denomina número atómico y se representa por Z.

El núcleo atómico puede verse alterado por procesos muy energéticos en comparación con las reacciones químicas. Los núcleos inestables sufren desintegraciones que pueden cambiar su número de protones y neutrones emitiendo radiación. Un núcleo pesado puede fisionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente.

En átomos con número atómico bajo, los núcleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en núcleos con proporciones más parejas, más estables. Sin embargo, para valores mayores del número atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabilizar el núcleo.

·         La corteza

Es la porción de materia de forma esférica y que se localiza fuera del núcleo, es decir, la corteza es la esfera externa del átomo que rodea al núcleo. Los electrones son los que forman la corteza del átomo; giran velozmente alrededor del núcleo; estos electrones se encuentran en grupos, que giran velozmente alrededor del núcleo, a manera de capas esféricas, unas encima de las otras (superpuestas) llamadas niveles de energía; además, se dice que la corteza tiene carga eléctrica negativa, púes allí solo habitan los electrones, que tienen carga negativa.

En resumen, todas las partículas que forman el átomo están distribuidas en dos partes llamadas núcleo y corteza; el núcleo se localiza en la parte central del átomo y contiene los protones y neutrones, y la corteza rodea al núcleo y está formada por los electrones. En un capitulo siguiente se explica detalladamente la ubicación del electrón en el átomo.

·         Partículas subatómicas:

A pesar de que átomo significa "indivisible", en realidad está formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico. El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de 9,11 · 10-31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones tienen una masa de 1,67 · 10-27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de 1,69 · 10-27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. El protón y el neutrón no son partículas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quarks u y d, partículas fundamentales recogidas en el modelo estándar de la física de partículas, con cargas eléctricas iguales a +2/3 y -1/3 respectivamente, respecto de la carga elemental. Un protón contiene dos quarks u y un quark d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza nuclear fuerte, mediada por gluones —del mismo modo que la fuerza electromagnética está mediada por fotones—. Además de estas, existen otras partículas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quarks, leptones cargados (similares al electrón), etc.

·         Nube de electrones:

Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un pozo de potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que escape.

Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. Pueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energía: si un electrón absorbe un fotón con energía suficiente, puede saltar a un nivel superior; también desde un nivel más alto puede acabar en un nivel inferior, radiando el resto de la energía en un fotón. Las energías dadas por las diferencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las líneas espectrales del átomo.

Propiedades atómicas

Masa

La mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña parte la masa de los electrones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y energía. La unidad de masa que se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad de masa atómica (u). Esta se define como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de carbono-12 libre, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 · 10-27 kg aproximadamente. En comparación el protón y el neutrón libres tienen una masa de 1,007 y 1,009 u. La masa de un átomo es entonces aproximadamente igual al número de nucleones en su núcleo —el número másico— multiplicado por la unidad de masa atómica. El átomo estable más pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u.

En química se utiliza también el mol como unidad de masa. Un mol de átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo número de estos (6,022 · 1023), lo cual implica que un mol de átomos de un elemento con masa atómica de 1 u pesa aproximadamente 1 gramo. En general, un mol de átomos de un cierto elemento pesa de forma aproximada tantos gramos como la masa atómica de dicho elemento.

Tamaño

Los átomos no están delimitados por una frontera clara, por lo que su tamaño se equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco puede establecerse una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los electrones. En la práctica, se define el radio atómico estimándolo en función de algún fenómeno físico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre dos núcleos en una molécula.

Los diversos métodos existentes arrojan valores para el radio atómico de entre 0,5 y 5 Å. Dentro de la tabla periódica de los elementos, el tamaño de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo —una fila—, para aumentar súbitamente al comienzo de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de energía más altos.

Las dimensiones del átomo son miles de veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz (400-700 nm) por lo que estos no pueden ser observados utilizando instrumentos ópticos. En comparación, el grosor de un cabello humano es equivalente a un millón de átomos de carbono. Si una manzana fuera del tamaño de la Tierra, los átomos en ella serían tan grandes como la manzana original.

Niveles de energía

Un electrón ligado en el átomo posee una energía potencial inversamente proporcional a su distancia al núcleo y de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energía es la cantidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada habitualmente para expresarla es el electronvoltio (eV). En el modelo mecanocuántico solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un electrón ligado puede encontrarse —es decir, numerables—, cada uno con un cierto valor de la energía. El nivel con el valor más bajo se denomina el estado fundamental, mientras que el resto se denominan estados excitados.

Cuando un electrón efectúa una transición entre dos estados distintos, absorbe o emite un fotón, cuya energía es precisamente la diferencia entre los dos niveles. La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia, así que cada transición se corresponde con una banda estrecha del espectro electromagnético denominada línea espectral.

Algunas líneas espectrales se presentan muy juntas entre sí, tanto que llegaron a confundirse con una sola históricamente, hasta que fue descubierta su subestructura o estructura fina. La causa de este fenómeno se encuentra en las diversas correcciones a considerar en la interacción entre los electrones y el núcleo. Teniendo en cuenta tan solo la fuerza electrostática, ocurre que algunas de las configuraciones electrónicas pueden tener la misma energía aun siendo distintas. El resto de pequeños efectos y fuerzas en el sistema electrón-núcleo rompe esta redundancia o degeneración, dando lugar a la estructura fina. Estos incluyen las correcciones relativistas al movimiento de electrón, la interacción de su momento magnético con el campo eléctrico y con el núcleo, etc.

Además, en presencia de un campo externo los niveles de energía se ven modificados por la interacción del electrón con este, en general produciendo o aumentando la división entre los niveles de energía. Este fenómeno se conoce como efecto Stark en el caso de un campo eléctrico, y efecto Zeeman en el caso de un campo magnético. Las transiciones de un electrón a un nivel superior ocurren en presencia deradiación electromagnética externa, que provoca la absorción del fotón necesario. Si la frecuencia de dicha radiación es muy alta, el fotón es muy energético y el electrón puede liberarse, en el llamado efecto fotoeléctrico.

Las transiciones a un nivel inferior pueden ocurrir de manera espontánea, emitiendo la energía mediante un fotón saliente; o de manera estimulada, de nuevo en presencia de radiación. En este caso, un fotón «entrante» apropiado provoca que el electrón decaiga a un nivel con una diferencia de energía igual a la del fotón entrante. De este modo, se emite un fotón saliente cuya onda asociada está sincronizada con la del primero, y en la misma dirección. Este fenómeno es la base del láser.

Interacciones eléctricas entre protones y electrones

Antes del experimento de Rutherford la comunidad científica aceptaba el modelo atómico de Thomson, situación que varió después de la experiencia de Ernest Rutherford. Los modelos posteriores se basan en una estructura de los átomos con una masa central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa.

Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a proponer su modelo en que los electrones se moverían alrededor del núcleo en órbitas. Este modelo tiene una dificultad proveniente del hecho de que una partícula cargada acelerada, como sería necesario para mantenerse en órbita, radiaría radiación electromagnética, perdiendo energía. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell delelectromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10-10 s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.

Evolución del modelo atómico

La concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la física y la química. A continuación se hará una exposición de los modelos atómicos propuestos por los científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos para explicar los fenómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de reseña histórica.

Un modelo atómico no es más que el dibujo o esquema de lo que indica su respectiva teoría, así que cada teoría tiene su propio modelo del átomo, recibiendo ambos el nombre de la persona que las propuso. A partir de 1803 se han propuesto diversas teorías y modelos atómicos, entre las cuales se destacan las siguientes:

·         Teoría y modelo atómico de Dalton (John Dalton).

·         Teoría y modelo atómico de Thomson (Joseph John Thomson).

·         Teoría y modelo atómico de Rutherford (Ernest Rutherford).

·         Teoría y modelo atómico de Bohr (Niels Bohr).

·         Teoría y modelo atómico de Bohr-Sommerfeld (Arnold Sommerfeld).

·         Teoría y modelo atómico mecánico-quántico (varios científicos).

Teoría y modelo atómico de Dalton

Fue propuesta por el profesor ingles de química John Dalton, durante el periodo de 1803-1808, la que aún es válida pero con ciertas modificaciones. Los 5 aspectos (postulados) que contiene su teoría son más o menos los siguientes:

·         Los elementos químicos están formados por átomos.

·         Estos átomos son indivisibles e indestructibles.

·         Los átomos no cambian al unirse o combinarse, es decir, cada átomo conserva sus pro piedades físicas y químicas a través de los cambios.

·         Los átomos de un mismo elemento químico son iguales en sus propiedades y peso.

Esta teoría aborda los puntos de composición de la materia (formada por átomos), de una propiedad química del átomo (uniones o enlaces químicos) y de una propiedad física (peso).

Para Dalton, el átomo no contiene partículas más pequeñas que él y por eso es indivisible y macizo. La teoría tiene algunos aspectos incorrectos hoy en día, tales como:

·         Los átomos si se pueden dividir en electrones, protones, etc.(aunque al hacerlo entonces el átomo deja de ser representativo del elemento químico de donde proviene).

·         Los átomos si cambian algunas de sus propiedades, púes cuando se unen o combinan ganan, pierden o comparten electrones, produciéndose así nuevas sustancias.

·         Muchos elementos químicos tienen en su interior átomos con igual cantidad de electrones y protones, pero con distinta cantidad de neutrones. A estos átomos diferentes que pertenecen a un mismo elemento se les conoce como isótopos, por lo que los átomos de un elemento químico pueden ser distintos en algunas propiedades.

Según el modelo de Dalton, el átomo es la mínima cantidad de materia con forma esférica, solido por dentro, invisible y sin poder dividirse (que no estaba formado por otras partes más pequeñas).

Definitivamente, la teoría de Dalton presenta algunos aspectos válidos, y la misma sirvió de base o punto de partida para posteriores teorías.

MODELO ATOMICO DE DALTON

Resumen sobre esta teoría:

- Antes de Dalton ya se tenían ideas sobre el átomo.

- Con Dalton, estas ideas atómicas pasaron a ser teoría.

- Lo correcto hasta aquí: "el átomo es la porción más pequeñísima de la materia, de forma esférica e invisible".

Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o protones (p+).

Teoría y modelo atómico de Thomson

Esta segunda teoría fue propuesta por el físico ingles Joseph John Thomson, en el año de 1905, como cien años después que la de Dalton. Éste científico descubrió el electrón, demostrando así que el átomo si es divisible, o sea que:

·         Thomson corrigió lo expresado por Dalton, de que el átomo era indivisible.

·         Mejoro la teoría y modelo atómico del pasado.

Para Thomson, al igual que para Dalton, el átomo seguía siendo la parte más pequeña de la materia, con masa y peso, pero formado por dos partes: una sola masa grande y que contenía la carga eléctrica positiva (protón), y varias masas pequeñas incrustadas (metidas) en la masa grande llamadas electrones, que contenían la carga eléctrica negativa. Así, esta teoría deja entrever aspectos como:

* Composición de la materia (formada de átomos).

* El concepto de átomo (es la parte más pequeña de la materia).

* Composición del átomo (formado por electrones y protón).

* Estructura del átomo (como están distribuidas las 2 cargas eléctricas dentro del átomo).

* La naturaleza del electrón y la carga positiva (vienen del átomo y contienen electricidad).

* El átomo es eléctricamente neutro, pues la suma de sus cargas negativas (electrones) es neutralizada por la carga positiva (masa grande o protón).

Respecto al modelo de Thomson, puede apreciarse que este también era esférico, sólido y divisible en dos partes: una masa grande esférica y que ocupa la mayor parte del volumen o espacio del átomo (carga positiva), y otras masas menores también esféricas incrustadas en la masa grande (cargas negativas), ocupando el resto del espacio del átomo. A este modelo se le conoció con el sobrenombre (apodo) de "budín de pasas".

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

Indudablemente que esta teoría corrigió y aumento nuestro conocimiento sobre el átomo, pues para Dalton el átomo era una sola masa, y para Thomson esta masa la forman dos clases de partículas, lo que indica que el átomo puede dividirse. Como observación, Thomson descubrió el protón (1906), pero un año más tarde de haber presentado su teoría (1905), por lo que debemos denominar protón a lo que le llamo "masa de carga positiva".

Resumen: Con Dalton se concluyó que el átomo es la porción más pequeñísima e invisible de la materia. Si a lo anterior le agregamos lo de Thomson, entonces lo correcto es que "el átomo es la porción más pequeñísima de la materia, y dividida en 2 partículas: protón y electrón".

Teoría y modelo atómico de Rutherford

En 1909, el científico inglés Sir Ernest Rutherford concluyo que la masa con carga positiva, llamada protón por Thomson, no estaba dispersa por todo el átomo sino que estaba localizada en el centro del mismo, a lo cual llamo núcleo; así mismo, expreso que los electrones giraban circularmente alrededor de este núcleo (como los planetas alrededor del sol), en vez de estar incrustados en todo el átomo, como aseguro Thomson. Estos descubrimientos indujeron a Rutherford, en 1911, a proponer la tercera teoría atómica, que supero a las anteriores.

Hasta aquí ya estaban descubiertos el electrón y el protón; ahora debemos agregar al átomo el nuevo término llamado núcleo, el que no es una subpartícula, sino el espacio ocupado por el protón, pero que viene a darnos una mejor idea sobre la estructura del átomo.

Básicamente, la teoría expone lo siguiente:

- Toda la carga positiva (protón) se localiza en la parte central del átomo, llamada núcleo.

- Los electrones (cargas negativas) giran en forma circular, alrededor del núcleo.

- La cantidad de carga positiva es diferente para cada elemento químico, pero en todo caso, dicha cantidad corresponde a la mitad de la masa total del átomo.

- La cantidad de carga positiva (protón) es igual a la de las cargas negativas (electrones), lo que hace que un átomo sea neutro (cargas opuestas se anulan entre sí).

- La masa del núcleo representa casi el 100% de la masa total del átomo (la masa de los electrones de un átomo es insignificante).

La teoría nos explica que el electrón y el protón provienen (naturaleza) del átomo, y que ambas partículas están cargadas eléctricamente, la primera negativa y la segunda positiva; la masa o peso de los electrones es insignificante, en comparación con la gran masa del núcleo.

Cuando Rutherford asegura que la cantidad de carga positiva es igual a la de las cargas negativas (electrones), podemos pensar que al haber ocho electrones, por ejemplo, entonces deberían haber ocho protones en el núcleo, y esto haría que el átomo sea neutro (cargas contrarias u opuestas se anulan entre sí). Podemos pensar entonces que dentro del núcleo existen uno o más protones, dependiendo de la cantidad de electrones que tenga el átomo.

Rutherford y Thomson coinciden en que el átomo es eléctricamente neutro; sin embargo, esta teoría fue descartada porque no explica la manera en que los electrones giran alrededor del núcleo, es decir, en qué orden lo hacen o cual es el comportamiento del electrón durante ese giro. Esto último hace pensar que los electrones pudiesen chocar entre sí o contra el núcleo, sabiendo en la actualidad que el electrón tiene un orden en su giro, lo que se desconocía en ese tiempo.

El modelo atómico de Rutherford nos indica que el núcleo se localiza en la parte central del átomo, siendo su volumen muy reducido, y los electrones están ubicados a su alrededor, ocupando casi la totalidad del espacio del átomo. Éste modelo se conoce también con los sobrenombres de "átomo nuclear" y "sistema planetario".

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

Dos aspectos son válidos en la teoría de Rutherford: el haber descubierto un núcleo central en el átomo, donde residen los protones, y el haber indicado que los electrones giran alrededor de este núcleo, aunque no supo explicar la forma en que lo hacían.

Resumen: Para Thomson, el átomo es "la porción más pequeñísima de la materia, pero dividida en 2 partículas: protón y electrón". Si agregamos lo de Rutherford, entonces el átomo "es la parte más pequeña de la materia con un núcleo central y electrones girando alrededor de él". Esto se acerca a la verdad.

Teoría y modelo atómico de Bohr

Niels Henrik David Bohr fue un físico de Dinamarca, alumno de Rutherford, que estudio también el átomo, específicamente el electrón, por lo que en 1913 propuso la cuarta teoría y modelo atómico. En forma resumida, sus conclusiones fueron las siguientes:

·         Coincidía con Rutherford en que, el átomo contiene un núcleo central formado por protones de carga positiva, bastante pequeño pero con la mayor parte de la masa del átomo.

·         Los electrones giran alrededor del núcleo en una forma circular, al igual que un sistema planetario.

·         Los espacios circulares donde giran los electrones son orbitas esféricas definidas, a las cuales llamo "capas de energía" y les asigno letras mayúsculas (K, L, M, N, O, etc.).

·         Un átomo puede tener varias capas de energía, unas dentro de otras, o sea concéntricas, y cada capa contiene un cierto número de electrones.

·         Los electrones pierden cada vez más energía, a medida que se van alejando del núcleo.

·         Los electrones pueden absorber y perder energía, si ascienden o descienden de un nivel a otro.

Básicamente, Bohr discutió la composición y estructura del átomo, pero más que todo el comportamiento del electrón. El confirmo lo de Rutherford, de que el átomo contiene un núcleo central formado por partículas llamadas protones; también concuerdan en que los electrones giran alrededor del núcleo en forma circular. Ahora bien, Rutherford no pudo explicar la manera en que los electrones giran alrededor del núcleo, lo que sí hizo Bohr, introduciendo el concepto de "capa de energía", que son los espacios o regiones donde se encuentran los electrones realizando su movimiento circular o elíptico alrededor del núcleo. Esto último hizo que la teoría de Bohr fuera más completa que la de Rutherford, pero también fue descartada porque era aplicable solo para los átomos de Hidrogeno, Helio y Litio, y no los demás.

Entonces, hasta ahora tenemos un átomo formado por un núcleo, que contiene los protones, y por los electrones, que giran en capas de energía alrededor del núcleo. Con esto, Bohr hizo su siguiente modelo atómico.

MODELO ATÓMICO DE BOHR

(Átomo de Litio)

La capa de energía cercana al núcleo es la primera, llamada K, luego hacia afuera sigue la segunda capa, llamada L, y así sucesivamente; una capa de energía u orbita se encuentra a una distancia definida de la otra, y a medida que los electrones se alejan del núcleo luego van perdiendo más energía. Lo novedoso aquí es que introduce el concepto de capa o nivel de energía, lo que es muy importante hoy en día, púes constituye "el numero quántico principal" en la estructura electrónica.

Resumen: Bohr está de acuerdo con Rutherford, en que el átomo es la parte más pequeña de la materia y que está formado por un núcleo central y por electrones satélites; pero agrega que tal núcleo es una masa de protones.

Teoría y modelo atómico de Bohr-Sommerfeld

Arnold Sommerfeld estudio el modelo de Bohr y lo modifico en 1915, agregándole lo siguiente:

-El concepto de sub-nivel de energía. Un nivel o capa de energía (Bohr) está dividido en sub- niveles, que son las regiones o espacios alrededor del núcleo en donde se localizan realmente los electrones. El nivel es un conjunto de sub-niveles, excepto el primero que solo posee un sub-nivel (s).

-El movimiento de los electrones. Sommerfeld afirmo que los electrones se movían tanto en forma elíptica como circular alrededor del núcleo.

De esta manera, la figura del átomo va adquiriendo su forma actual, pues ahora el electrón tiene dos números quánticos: el número quántico principal o nivel de energía, y el número quántico orbital o subnivel de energía. Sin embargo, esta teoría y modelo atómico eran incompletos pues no explicaban otros aspectos importantes del electrón; así, varios personajes continuaron investigando sobre la manera en que el electrón estaba distribuido alrededor del núcleo, resultando así la teoría y modelo atómico actual o contemporáneo.

Así pues, el modelo atómico de Bohr-Sommerfeld es sencillo pero incompleto, pues el átomo sigue formado por un núcleo positivo central (aún no hay neutrón) y por los electrones, que giran alrededor del núcleo, en forma circular y elíptica. El número de protones es igual al número de electrones.

MODELO ATÓMICO DE BOHR-SOMMERFELD

Teoría y modelo atómico mecánico-quántico

Esta teoría fue propuesta en 1928, y es la que se utiliza en la actualidad; muchos hombres de ciencia contribuyeron a conformarla, directa o indirectamente, tales como Louis de Broglie, Dirac, Werner Heisenberg, Bohr, Erwin Schröedinger, etc.

Esta teoría nos indica en que espacio de la corteza del átomo podemos encontrar, con muchas probabilidades (90%), un electrón (estado del electrón); en otras palabras, es imposible predecir el punto exacto en donde podemos encontrar un tan solo electrón en un momento dado, pero si se puede calcular el espacio o región del átomo en donde se mueve un electrón, lo que constituye el fundamento de esta teoría. Para poder establecer tal espacio, denominado orbital atómico, es necesario conocer cuatro datos de él, los llamados números quánticos, que son como su cedula o tarjeta de identidad, los cuales son: n, l, ml y ms (en este orden).

n llamado numero quántico principal, y es el primer número quántico de un electrón.

También se le conoce como nivel de energía principal o, sencillamente, capa de energía, e indica el número del nivel en donde se encuentra un electrón, es decir, la distancia a la que se encuentra el electrón con respecto al núcleo. En realidad, el nivel indica la cantidad de energía que posee un electrón, esto es que, electrones con cantidades distintas de energía estarán localizados en niveles de energía diferentes.

Todos los electrones de un átomo están distribuidos primeramente en niveles de energía, los cuales están identificados con números (1,2,3,4,5,6 y 7) o letras ( K, L, M, N, O, P y Q); cada nivel de energía es una gran capa o región alrededor del núcleo, y en la tabla periódica estos niveles de energía están representados por las líneas horizontales llamadas periodos, las que también están identificadas con estos mismos números (1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7) y letras (K, L, M, N, O, P y Q). Para el caso, un átomo de Hidrogeno solo tienen un nivel de energía (periodo 1 en la tabla periódica) en el cual habita el único electrón que tiene este elemento químico; un átomo de Oxigeno tiene dos niveles de energía (periodo 2 en la tabla periódica) en los cuales están distribuidos sus ocho electrones, habiendo átomos (como el de Plutonio) que poseen hasta siete niveles de energía, en los cuales están distribuidos todos sus 94 electrones. Ahora bien, cada nivel tiene su propia capacidad de albergar electrones, es decir, cada nivel solo puede contener una cierta cantidad de electrones, y para poder calcular esta capacidad se emplea la formula 2n2, en donde n representa número del nivel.

Composición de la materia orgánica, ciclos biogeoquímicos (carbono, oxigeno, azufre, fósforo, nitrógeno)

MATERIA ORGANICA

Dicen aquellos que se encargan de analizar las propiedades y características de la materia que la de tipo orgánico se forma a partir de residuos de procedencia animal o vegetal. Se trata de sustancias que suelen distribuirse por el suelo y que ayudan a su fertilidad. De hecho, para que un suelo sea apto para la producción agropecuaria, debe contar con un buen nivel de materia orgánica; de lo contrario, las plantas no podrían crecer.

Diversos microorganismos son los encargados de descomponer la materia orgánica bruta y de convertirla en humus. Un suelo con presencia de humus no pierde nutrientes, posee una elevada capacidad de retención de agua y contribuye a mejorar las condiciones biológicas, químicas y físicas.

Resulta interesante mencionar que la materia orgánica es uno de los componentes más abundantes de los residuos domiciliarios. Los restos de comida, las cáscaras de frutas, las hojas que se recogen del jardín y los pañales sucios, por ejemplo, están compuestos por materia orgánica.

Una forma de aprovechar estos residuos es reservar la materia orgánica para fertilizar las plantas del hogar. Claro que, para tal fin, es fundamental que no exista ningún tipo de contaminación.

Los compuestos orgánicos (también conocidos como moléculas orgánicas) son, por otra parte, conjuntos formados por una serie de sustancias químicas donde se advierte la presencia de carbono y, en algunos casos, oxígeno, nitrógeno y fósforo, por citar algunos de los elementos posibles.

Estos compuestos orgánicos pueden dividirse en dos grandes tipos: moléculas orgánicas naturales (donde son los seres vivos los encargados de llevar a cabo el proceso de síntesis) y de carácter artificial (donde se agrupan aquellas sustancias que han sido fabricadas por el hombre, como el plástico).

Por lo general, la diferencia entre los compuestos de tipo orgánico y los inorgánicos está dada por la presencia de carbono con enlaces de hidrógeno en el primer grupo.

Granjas ecológicas y reciclaje de materia orgánica

El auge de las granjas ecológicas, en los últimos años, ha ayudado a la divulgación de la importancia de reciclar la materia orgánica y aprovecharla en los cultivos. En la mayoría de los establecimientos donde se producen alimentos en un clima de respeto con el medio ambiente, se utilizan los restos de desechos de seres vivos para elaborar abono, que más tarde servirá para reforzar las características de la tierra.

Es necesario tener presente, que este tipo de aprovechamiento no sólo puede darse en grandes establecimientos, sino también en los domicilios particulares. Los pasos a seguir para manipular los residuos provenientes de materia orgánica son:

1) Acumular los restos de productos derivados de seres vivos en un espacio limpio de otras impurezas como plásticos, vidrios o materia inorgánica de cualquier tipo. Es importante que no se mezclen restos de comida con grasa o aceite y restos de carne, porque tardan mucho en descomponerse;

2) Destinar un cubo con tapa, que tenga una capacidad mínima de 1m3, y colocarlo en una zona del jardín donde le dé sol y sombra durante todo el día;

3) Colocar una capa de tierra o aserrín de unos 6cms en el fondo del cubo;

4) Diseminar los desechos orgánicos, cubrirlos con una capa de tierra y regarlos un poco (es necesario que siempre se mantenga la humedad). Luego, espolvorear el interior con cal para prevenir los malos olores y tapar el cubo nuevamente;

5) Cada vez que se vuelquen nuevos desechos debe revolverse el interior con una varilla, de modo que todos los materiales se ventilen.

Al cabo de un tiempo, a partir del mes aproximadamente, ya no se podrán distinguir de forma individual los residuos, salvo aquéllos que se hayan depositado recientemente. El resultado es lo conocido por el nombre de composta y se considera un abono sumamente rico para la tierra; con una gran variedad de microorganismos que se encargan de sintetizar enzimas, vitaminas y hormonas y que colaboran notablemente con el equilibrio biótico de la tierra.

Si la mayoría de las personas hiciéramos composta con la materia orgánica proveniente de nuestra basura, se podría disminuir considerablemente la contaminación, ya que los restos orgánicos depositados en los basurales, al calentarse con elsol, eliminan gas metano (CO2), uno de los componentes más nocivos para el calentamiento global.

CICLO BIOGEOQUIMICO

El concepto de ciclo biogeoquímico se usa para describir la distribución y transporte de materiales, los cuales controlan el recambio y transformación de éstos en los ambientes terrestres, acuáticos y atmosféricos. Los ciclos biogeoquímicos constituyen un sistema regulador de la hidrosfera y la biosfera. Estos ciclos describen los movimientos y las interacciones de los elementos químicos esenciales para la vida a través de la geosfera y la geosfera, a través de procesos físicos, químicos y biológicos. Los flujos de los elementos pueden ser abiertos, como el flujo de energía o cerrados, como el ciclo de la materia.

El ciclo de la materia es una interacción permanente entre la fase biótica y la fase abiótica, es un proceso sin principio ni fin; es decir, un reciclaje combinado y continuo, en una serie de procesos autorregulados; los deshechos son el punto de partida para formar algo nuevo.

Los principales elementos químicos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre o los contaminantes, los ciclos de estos elementos se combinan de diferentes maneras e interrelacionan entre sí. Un solo elemento puede convertirse en el factor limitante en el desarrollo de un ecosistema. Por ejemplo la oferta de nitrógeno puede limitar los procesos vitales en los océanos. La comprensión de los ciclos biogeoquímicos es esencial para entender el funcionamiento de la tierra como sistema.

Los ciclos se usan para medir la dinámica del recambio comparando las magnitudes en el depósito y los flujos en diferentes compartimentos del ecosistema. De particular interés son las escalas espaciales y temporales de las transformaciones y las fases de transición.

Los aspectos básicos de los ciclos biogeoquímicos son:

·         La distribución de materiales- localización y tamaño del depósito.

·         El transporte- patrones y ratas de flujo.

·         La transformación- rata de flujo del depósito a otro componente.

·         Tiempo de residencia- Tiempo de almacenamiento.

Los ciclos biogeoquímicos generalmente se conceptualizan en modelos de compartimentos y se visualizan convenientemente por medio de cuadros y flechas (fig. 45) Entre los 80 elementos que se encuentran en el suelo, sólo una tercera parte son componentes esenciales en plantas y animales. Entre los elementos principales que constituyen la materia orgánica tenemos: C, H, O, N, P, S, mientras que otros cumplen la función de matrices iónicas o estructuras de soporte: Ca, Mg, Si, K, Na, Cl, F). Los metales esenciales traza, se encuentran generalmente como coenzimas (Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Se, Mo). Hay algunos elementos importantes que no se usan por los organismos: uno muy abundante es el aluminio y otros que son muy tóxicos como: Hg>Cd>Pb. La composición en elementos de la biomasa, el agua de mar y la corteza terrestre se resume en la tabla 4.

TABLA 4: Elementos de interés y su abundancia en diferentes ambientes

Elemento			Biomasa			Corteza terrestre		Mar
Símbolo	No Atómico	Masa Atómica	Masa ppm	Átomos ppm	Esencial biota	Masa ppm	Átomos ppm	Masa ppm	Átomos ppm
H	1	1	65.900	496.800	*	1400	28.800	111.000	110.000
B	5	10.8			*			4.5	0.410
C	6	12	393.460	248.900	*	200	350	27.8	2387
N	7	14	5020	2720	*			0.4	0.030
O	8	16	524.290	249.00	*	466.000	604.000	883.000	55.200
F	9	19			*	625	680	1.3	0.068
Na	11	23	190	63	*	28.300	25.500	10.700	468
Mg	12	24.3	980	307	*	20.900	17.800	1290	53.2
Al	13	27	560	157		81.300	62.500
Si	14	28.1	1210	327	*	277.200	205.000	2.9	0.103
P	15	31.0	520	128	*	1050	700	0.07	0.002
S	16	32.1	710	169	*	260	170	904	28.2
Cl	17	35.5	500	106	*			19.353	546
K	19	39.1	2290	444	*	25.900	13.700	399	10.2
Ca	20	40.1	3780	717	*	36.300	18.800	412	10.2
Ti	22	47.9				4.400	1900
Mn	25	54.9	210	29	*	950	360
Fe	26	55.9	390	553	*	50.000	18.600	0.03
Co	27	58.9			*
Cu	29	63.6			*
Zn	30	65.4			*
Se	34	79			*
Br	35	79.9						67	0.084
Sr	38	87.6				375	89	8	0.091
Mo	42	95.9			*
Ba	56	137.3				425	64

El carbono, azufre y mercurio son elementos que han experimentado perturbaciones significativas de sus ciclos en las últimas 10 generaciones del hombre. Estos ciclos son de interés particular debido a que ellos cubren escalas espaciales grandes e incluyen una interacción de todas las esferas principales (atmósfera, hidrosfera, sedimentos, biosfera, pedosfera, litosfera) y las fases (gas, líquida y sólida) sobre un amplio rango de escalas de tiempo. Además, estos ciclos están fuertemente acoplados entre sí y pueden servir como ejemplo para demostrar la complejidad biogeoquímica de los ciclos en general y del impacto humano natural que da lugar a cambios ambientales importantes.

Ciclo del agua

El ciclo del agua (o ciclo hidrológico) es la circulación del agua de la tierra: el agua fresca de los lagos y ríos, los mares y océanos salados y la atmósfera. Comprende el proceso que recoge, purifica y distribuye el suministro fijo del agua en la superficie terrestre, abarcando algunos pasos importantes: 

A través de la evaporación, el agua que está sobre la tierra y en los océanos se convierte en vapor de agua. 
A través de la condensación, el vapor de agua se convierte en gotas del líquido, las cuales forman las nubes o la niebla. 
En el proceso de precipitación, el agua regresa a la Tierra bajo la forma de rocío, de lluvia, granizo o nieve. 
A través de la transpiración, el agua es absorbida por las raíces de las plantas, pasa a través de los tallos y de otras estructuras y es liberada a través de sus hojas como vapor de agua. 
El agua se mueve desde la tierra hacia el mar, o bien desde la tierra hacia el suelo donde es almacenada y de donde regresa eventualmente a la superficie o a lagos, arroyos y océanos. 
Con la condensación del agua, la gravedad provoca la caída al suelo. 
La gravedad continúa operando empujando al agua a través del suelo (infiltración) y sobre el mismo en el sentido de las pendientes del terrenos (escurrimiento). 
La gravedad provoca que el agua alcance nuevamente los océanos y depresiones. El agua congelada atrapada en regiones heladas de la tierra ya sea como nieve o hielo, constituye reservorios que pueden permanecer largos períodos de tiempo. Lagos, lagunas, esteros y pantanos son reservorios temporales. Los océanos tienen agua salada por la presencia de minerales, los cuales no pueden llevarse con el vapor de agua. Así, la lluvia y la nieve contienenagua relativamente limpia, con la excepción de los contaminantes que el agua arrastra de la atmósfera. 

En el ciclo del agua la energía es provista por el sol, el cual produce la evaporación y, además, provee la energía para los sistemas climáticos que permiten el movimiento del vapor de agua (nubes) de un lugar a otro (de otro modo siempre llovería solo sobre los océanos). 

Los organismos juegan un rol muy importante en el ciclo del agua, la mayoría contienen importantes cantidades deagua (hasta un 90% en peso). Animales y plantas pierden agua de sus cuerpos por evaporación. En las plantas elagua tomada por las raíces se mueve hacia las hojas donde se pierde por transpiración. Tanto en plantas como en animales, la ruptura de los carbohidratos (azúcares) para producir energía (respiración) produce CO2 y agua como productos de desecho. La fotosíntesis invierte esta reacción, el agua y el CO2 se combinan para formar carbohidratos