viernes, 3 de agosto de 2018

El átomo: concepto y estructura


El átomo es la partícula más pequeña e indivisible de un elemento químico que contiene íntegras sus propiedades. Su estudio constituye la base de la física y la química contemporáneas.

Atomo y biologia
El átomo está constituido por un núcleo compuesto de protones y neutrones, circundado de un enjambre de electrones en órbita.


- Evolución e historia del concepto de átomo


El concepto de átomo como parte más pequeña e indivisible de toda materia fue desarrollado en la Grecia clásica por los filósomos Leucipo y Demócrito. Rechazado por Platón y Aristóteles, que siguieron la teoría de Empédocles de los cuatro elementos (fuego, aire, agua y tierra), la atomística cayó en el olvido hasta el siglo XVIII, en que científicos como Lavoisier y Proust desarrollaron los primeros fundamentos de la teoría atómica. Fue John Dalton, sin embargo, quien a principios del siglo XIX sentó las bases de la moderna teoría del átomo. Acuñó los conceptos de peso atómico y molécula (formada por la combinación de varios átomos) y elaboró la primera tabla de elementos en 1805. Posteriormente, las nociones de átomo y molécula no dejaron de precisarse y concretarse. La clasificación periódica de los elementos de Mendeleiev (1869) vino a coronar los esfuerzos de los químicos y a anunciar que todo el Universo puede estar formado por sólo por un centenar de átomos diferentes.

- Estructura del átomo


Todo átomo está constituido por tres partes: una parte eléctricamente negativa, formada por los protones; otra eléctricamente negativa, compuesta por electrones; y una tercera integrada por minúsculas partículas neutras denominadas neutrones. La carga electrónica del protón y la del electrón son iguales y contrarias, como los átomos suelen existir en forma neutra, el número de electrones de un átomo debe ser igual al de protones. Los electrones ocupan el espacio más externo del átomo; los protones se sitúan en el centro, y, con los neutrones, constituyen el núcleo. Los electrones y los protones de todos los elementos químicos son iguales, por lo que éstos se diferencian por el número de protones, de neutrones y de electrones presentes en su interior.

- La energía de ionización


Los electrones no ocupan una posición fija alrededor del núcleo atómico, sino que giran a su alrededor con sus cargas negativas para no ser atraídos por el núcleo, de carga positiva. La cantidad de electrones que gira en torno al núcleo atómico es proporcional al número de protones que éste posee, de manera que cuando aumenta su número también lo hace el de electrones. Todos los electrones giran en órbitas distintas ya que, al ser sus cargas del mismo signo, tienden a repelerse. Si se quiere separar un electrón del núcleo al que está ligado es necesario emplear una energía sobre los electrones. Esta energía aumenta a medida que se pasa de los electrones más externos a los más internos, ya que éstos tienen menos energía y son más estables. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que las cantidades de energía de ionización necesarias para alejar a los electrones del átomo pueden ser reagrupadas en bandas discontinuas de valores energéticos. En el caso del átomo de sodio, que posee 11 electrones, se observan variaciones en el contenido energético entre la primera y la segunda energía de ionización y entre la novena y la décima, por lo que dichas energías pueden reagruparse en tres bandas. A cada una de estas bandas corresponde una distinta banda energética de los electrones; el sistema de electrones en torno al núcleo atómico es discontinuo y sólo admite determinados niveles electrónicos.


- La nube electrónica


El movimiento de un electrón en torno al núcleo se produce en un determinado nivel energético, con una velocidad elevadísima y dentro de un espacio que resulta inmensamente amplio con respecto al volumen del núcleo (cerca de un millón de billones de veces más). En el caso de que su movimiento pudiese ser observado, no podrían distinguirse sus diferentes posiciones en el espacio; tan sólo podría apreciarse una especie de nube, una impresión de movimiento continuo provocado por su velocidad de traslación. El conjunto de los puntos por los cuales es probable que pase un electrón dado al girar en torno al núcleo se llama nube electrónica.


- Los orbitales


Los orbitales son las regiones del espacio que rodean al núcleo, en las cuales existe más del 90% de probabilidades de encontrar un electrón dado con un determinado nivel de energía. Para describir con precisión cuáles son las características propias de un orbital es necesario suministrar los valores que le son propios. Un orbital puede definirse como una zona del átomo que posee una dimensión, una forma y una orientación bien determinadas. Le corresponden, por tanto, tres valores denominados números cuánticos. Este enunciado se completa con el principio de exclusión, que afirma que en un átomo no pueden existir orbitales con sus tres números cuánticos idénticos. El principio refleja una ley fundamental de la naturaleza, según la cual los electrones de un átomo se disponen con regularidad en los distintos orbitales existentes, a distancias bien determinadas en torno al núcleo, llenándolos progresivamente y determinando así la formación de los elementos simples con sus características físicas y químicas.

Otro dato fundamental es que en todos los orbitales sólo pueden encontrarse dos electrones como máximo, un orbital se denomina vacante si no está ocupado por ningún electrón; semivacante si está ocupado por un solo electrón, y completo si está ocupado por dos electrones. Ahora bien, dada la igualdad de sus cargas (negativas), dos electrones no podrían coexistir en un orbital completo si no fuera porque se diferencian por un cuarto número cuántico denominado número de spin.

Un electrón en un campo magnético puede girar en sentido horario o en sentido antihorario; esta rotación se llama spin y puede adoptar dos valores iguales y de sentido contrario. Estos dos valores de spin opuesto son los que determinan el cuarto número cuántico y diferencian los dos electrones pertenecientes a un mismo orbital. La rotación inversa de los dos electrones provoca una polaridad magnética de signo opuesto, creando un enlace electromagnético muy fuerte entre ambas partículas; esto explica que los orbitales completos tengan mayor estabilidad que los vacantes.

Para completar la explicación, es necesario dar una definición más precisa de los tres primeros números cuánticos:

. El número n especifica el nivel energético que tiene el electrón y su volumen en el espacio. Está relacionado con la energía media y con la posición del orbital con respecto al núcleo. Cuanto más alto sea el valor que adopte, mayor es la energía del orbital y mayores son sus dimensiones (cuanto mayor es el valor n, más alejados del núcleo estarán los electrones del orbital y más amplia será la nube electrónica);

. El número l determina la forma del orbital; está relacionado con el número cuántico principal n y puede adoptar todos los valores enteros desde 0 hasta n - 1. Las distintas formas se indican con las letras: s, p, d, f, y g. La forma de los orbitales es siempre la misma para una letra dada; al variar el número cuántico principal cambia únicamente la dimensión pero no la forma. Por ejemplo, la indicación 2p significa orbital de tipo p que se encuentra en el nivel energético n = 2;

. El número m diferencia los orbitales que tienen el mismo número cuántico l, es decir, la misma forma, determinando su orientación. Está relacionado con el número l ya que puede adoptar los valores m = -l, -l + 1, ..., -1, 0, 1, ... l - 1, l.

Al poseer una forma esférica, los orbitales s no tienen una orientación particular. Por eso, para cada número cuántico principal n existe un solo orbital s. Los orbitales p presentan una forma que puede disponerse según tres orientaciones posibles. Existen, por tanto, tres orbitales p iguales entre sí que se diferencian por su inclinación en el espacio. Para los orbitales superiores las formas se vuelven más complejas y más numerosas las orientaciones; para los orbitales d las orientaciones son cinco, para los orbitales f siete, y así sucesivamente.

- La fórmula electrónica


Para describir de una manera precisa un átomo desde un punto de vista electrónico es necesario conocer su fórmula electrónica, es decir, la distribución de sus electrones en los distintos niveles. Basta con introducir los electrones uno a uno en los orbitales predecibles, partiendo de unas cuantas reglas fundamentales: en primer lugar, los electrones tienden a ocupar de una manera espontánea aquellos estados cuánticos energéticos disponibles que tienen menor energía; por otra parte, un orbital está completo cuando contiene dos electrones con spin antiparalelo (principio de Pauli); si la mayor parte de los electrones tienen el mismo nivel de energía, éstos tienden a disponerse aisladamente en el mayor número de orbitales vacíos posibles con el mismo nivel de energía; los electrones, por tener todos igual carga negativa, aun pudiendo emparejarse en un único orbital con spin antiparalelo, tienden siempre a alejarse uno de otro y a disponerse en orbitales distintos (si están disponibles) en el ámbito del mismo nivel energético determinado por el número cuántico n; la disposición de los electrones se efectúa por valores ordenadamente crecientes de energía.

Aunque la energía de un orbital depende del número cuántico n, y aumenta con el incremento de dicho número, también depende (en menor medida) del número cuántico l, que determina la forma de los orbitales presentes en un nivel energético dado. Teniendo en cuenta lo dicho, para un mismo nivel, el orden creciente de energía es el siguiente:

Es < Ep < Ed < Ef

En conclusión, para escribir la fórmula electrónica de un átomo se debe conocer el número de electrones del átomo (número atómico Z) e indicar con un exponente el número de electrones presentes en los distintos niveles, teniendo en cuenta el orden de rellenado de los orbitales.

La forma de los orbitales más externos determina en gran medida el comportamiento químico de los átomos y permite comprender de qué modo se enlazan los átomos entre sí para formar las moléculas. Durante una reacción química, únicamente los electrones que se sitúan en los orbitales más externos de los átomos que participan en ella cambian su estado energético, saltando a los átomos vecinos de otros compuestos, o bien colocándose en zonas intermedias entre los dos átomos e instaurando así enlaces entre ellos.