- Átomos y
Moléculas - Partículas
Fundamentales - El
Electrón - Los electrones y la
práctica - El
Protón - El
Neutrón - Referencias
Suponga que toma una muestra del
elemento cobre y se
divide en pedazos cada vez más pequeños. Antes de
1800, se pensaba que la materia era
continua, es decir que podía ser dividida en infinitas
partes más pequeñas sin cambiar la naturaleza del
elemento. Sin embargo, alrededor de 1803 ganó
aceptación la teoría
de un científico inglés
llamado Jhon Dalton (17766-1844). La naturaleza de la
materia y la forma en que los elementos se combinaban,
sugería la existencia de un límite a lo que un
elemento podía subdividirse.
Ahora sabemos que al dividir una muestra de cobre en
trozos cada vez más pequeños, finalmente se
encuentra una unidad básica que no puede ser dividida sin
cambiar la naturaleza del elemento. Esta unidad básica se
llama Átomo. Un átomo es
la partícula más pequeña que puede existir
de un elemento conservando las propiedades de dicho
elemento.
Para esta unidad se tienen dos objetivos,
primero se examinará la naturaleza de átomo en la
forma que se encuentra en los elementos y compuestos. Luego se
verá más de cerca el átomo, con el objeto de
comprender su estructura
interna; las partes de que se compone.
Lo primero de que nos debemos percatar es que los
átomos son extremadamente pequeño, ya que l
diámetro de un átomo es del orden de
10-8 cm, se necesitarían 100 millones de
átomos en una línea recta para alcanzar una
longitud de 1 cm.
Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego
Demócrito sugirió que toda la materia estaba
formada por partículas minúsculas, discretas e
indivisibles, a las cuáles llamó átomos. Sus
ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a finales
del siglo dieciocho comenzaron a ser aceptadas.
En 1808, el maestro de escuela
inglés, Jhon Dalton, publicó las primeras ideas
"modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los
átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos
de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas
forman la base de la Teoría Atómica de Dalton, que
es de las más relevantes dentro del pensamiento
científico.
Los postulados de Dalton se pueden enunciar:
- Un elemento está compuesto de
partículas pequeñas e indivisibles llamadas
átomos. - Todos los átomos de un elemento dado tienen
propiedades idénticas, las cuales difieren de las de
átomos de otros compuestos - Los átomos de un elemento no pueden crearse,
ni destruirse o transformarse en átomos de otros
elementos. - Los compuestos se forman cuando átomos de
elementos diferentes se combinan entre sí en una
proporción fija. - Los números relativos y tipos de átomos
son constantes en un compuesto dado.
En la época de Dalton se conocían la
Ley de la
Conservación de la Materia y la Ley de las Proporciones
Definidas, las cuales fueron la base de su teoría
atómica. Dalton consideró que los átomos
eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la
actualidad se rechaza, pero demostró puntos de vista
importantes acerca de la naturaleza de la materia y sus
interacciones.
En ese tiempo algunos
de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse)
experimentalmente, ya que se basaron en limitadas observaciones
experimentales de su época. Aún con sus
limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de
referencia que posteriormente los científicos pudieron
modificar o ampliar.
Por esta razón se considera a Dalton como el
padre de la Teoría Atómica
Moderna.
La partícula más pequeña de un
elemento que mantiene su identidad
química a
través de todos los cambios químicos y
físicos se llama: Átomo. En casi todas las
moléculas, dos o más átomos se unen entre
sí formando unidades discretas muy pequeñas
(partículas) que son eléctricamente neutras. Una
Molécula es la partícula más
pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia
estable o independiente.
Un átomo de oxígeno
no puede existir sólo a temperatura
ambiente y
presión
atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan
átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato
se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está
formado por dos átomos de oxígeno; es una
molécula diatómica O2. Otros de
moléculas diatómicas son: al hidrógeno, el nitrógeno, el
flúor, el cloro, el bromo y el yodo.
Otros elementos existen como moléculas más
complejas; por ejemplo el fósforo forma moléculas
de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho
átomos en condiciones de temperatura y presión
normales. Las moléculas que contienen más de dos
átomos se denominan moléculas
poliatómicas.
Los átomos son los componentes de las
moléculas, y estás a su vez son los componentes de
los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple
vista es posible observar las muestras de compuestos y elementos,
formadas por grandes números de átomos y
moléculas. Con el microscopio
electrónico es posible en la actualidad ver los
átomos.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Las partículas fundamentales de un átomo
son los bloques constituyentes básicos de cualquier
átomo. El átomo, y por tanto toda la materia
está formado principalmente por tres partículas
fundamentales: electrones, neutrones y protones. El
conocimiento de la naturaleza y la forma en que funcionan es
fundamental para comprender las interacciones
químicas.
La masa y las cargas de las tres partículas
fundamentales se muestran en la siguiente tabla.
Partícula | Masa (uma) | Carga (Escala |
Electrón | 0.00054858 | 1- |
Protón | 1.0073 | 1+ |
Neutrón | 1.0087 | Ninguna |
La masa del electrón es muy pequeña en
comparación con la masa del protón o del
neutrón. La carga del protón es de magnitud igual
pero de signo opuesto a la carga del electrón.
Procederemos a estudiar estas partículas con mayor
detalle.
Para ver el
gráfico seleccione la opción "Descargar" del
menú superior
El electrón, comúnmente
representado como e− es una
partícula subatómica. En un
átomo
los electrones rodean el
núcleo, compuesto de
protones y neutrones.
Los electrones tienen la
carga eléctrica más
pequeña, y su movimiento
genera
corriente eléctrica. Dado que los
electrones de las capas más externas de un átomo
definen las atracciones con otros átomos, estas
partículas juegan un papel primordial en la
química.
Historia y descubrimiento del electrón
La existencia del electrón fue postulada
por
G. Johnstone Stoney, como una unidad de
carga en el campo de la
electroquímica. El electrón
fue descubierto por
Thomson en 1897
en el Laboratorio
Cavendish de la
Universidad de Cambridge, mientras
estudiaba el comportamiento
de los
rayos catódicos. Influenciado por
el trabajo
de
Maxwell y el descubrimiento de los
rayos
X, dedujo que en el
tubo de rayos catódicos
existían unas partículas con carga negativa
que denominó corpúsculos.
Aunque
Stoney había propuesto la
existencia del electrón fue
Thomson quién descubrió su
caracter de partícula fundamental. Para confirmar la
existencia del electrón era necesario medir sus
propiedades, en particular su carga eléctrica. Este
objetivo fue
alcanzado por
Millikan en el célebre
experimento de la gota de aceite realizado
en 1909.
George Paget Thomson, hijo de
J.J. Thomson, demostró la
naturaleza ondulatoria del electrón probando la dualidad
onda-corpúsculo postulada por la
mecánica cuántica. Este
descubrimento le valió el
Premio Nobel de Física de
1937.
El spin
del electrón se observó por vez primera en
el
experimento de Stern-Gerlach. Su carga
eléctrica puede medirse directamente con un
electrómetro, y la corriente
generada por su movimiento con un
galvanómetro.
Propiedades y
comportamiento de los electrones
El electrón tiene una
carga eléctrica negativa de
−1.6 × 10−19 culombios
y una masa de
9.10 × 10−31 kg
(0.51 MeV/c2),
que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del
protón.
El electrón tiene un spin
1/2, lo que implica que es un fermión,
es decir, que se le puede aplicar la estadística de
Fermi-Dirac.
Aunque la mayoría de los electrones se encuentran
formando parte de los átomos, los hay que se desplazan
independientemente por la materia o juntos formando un haz de
electrones en el vacío.
En algunos
superconductores los electrones se mueven en
pareja.
Cuando los electrones que no forman parte de la
estructura del átomo se desplazan y hay un flujo neto de
ellos en una dirección, este flujo se llama
corriente eléctrica. La
electricidad estática no es un
flujo de electrones. Es más correcto definirla como "carga
estática", y está causada por un
cuerpo cuyos átomos tienen más o menos electrones
de los necesarios para equilibrar las cargas positivas de los
núcleos de sus átomos. Cuando hay un exceso de
electrones, se dice que el cuerpo está cargado
negativamente. Cuando hay menos electrones que protones el cuerpo
está cargado positivamente.
Si el número total de protones y electrones es
equivalente, el cuerpo está en un estado
eléctricamente neutro. Los electrones y los
positrones pueden
aniquilarse mutuamente produciendo
un fotón.
De manera inversa, un fotón de alta energía puede
transformarse en un electrón y un
positrón.
El electrón es una
partícula elemental, lo que
significa que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no
la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un
punto, es decir, sin extensión espacial.
Sin embargo, en las cercanías de un electron
pueden medirse variaciones en su masa
y su
carga. Esto es un efecto común a
todas las partículas elementales: la partícula
influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de
forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la
suma de las propiedades de la partícula más las
causadas por el efecto del vacío que la rodea.
Hay una constante física llamada
radio
clásico del electrón, con un valor de
2.8179 × 10−15 metros.
Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se
puede inferir a partir de la carga del electrón descrito
desde el punto de vista de la
electrodinámica clásica, no
de la
mecánica cuántica. Por esta
constante se refiere a un concepto
desfasado, aunque útil para algunos
cálculos.
Electrones en el Universo:
Se cree que el número total de electrones que
cabrían en el universo conocido
es del orden de 10130.
Electrones en la vida
cotidiana: La corriente
eléctrica que suministra energía a nuestros
hogares está originada por electrones en movimiento. El
tubo de
rayos catódicos de un
televisor
se basa en un haz de electrones en el vacío desviado
mediante campos magnéticos que impacta en una
pantalla
fosforescente. Los
semiconductores utilizados en dispositivos tales
como los transistores
Más información en: Electricidad
Electrones en la industria: Los haces de
electrones se utilizan en soldaduras.
Electrones en el
laboratorio: El
microscopio electrónico, que
utiliza haces de electrones en lugar de fotones, permite ampliar
hasta 500.000 veces los objetos. Los efectos cuánticos del
electrón son la base del microscopio de
efecto túnel, que permite estudiar
la materia a escala atómica.
Partícula nuclear con carga
positiva igual en magnitud a la carga
negativa del electrón;
junto con el neutrón,
está presente en todos los núcleos
atómicos. Al protón y al
neutrón
se les denomina también nucleones. El
núcleo del atómo
de hidrógeno está formado por un único
protón. La masa de un protón es de 1,6726 ×
10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón.
Por tanto, la masa de un átomo
está concentrada casi exclusivamente en su
núcleo.
El protón tiene un momento angular intrínseco,
o espín,
y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el
protón cumple el principio
de exclusión.
El número atómico de un elemento indica el
número de protones de su núcleo,
y determina de qué elemento se trata. En física
nuclear, el protón se emplea como proyectil en
grandes aceleradores
para bombardear núcleos con el fin de producir
partículas fundamentales. Como ion del hidrógeno,
el protón desempeña un papel importante en la
química.
El antiprotón, la antipartícula
del protón, se conoce también como
protón negativo. Se diferencia del protón en que
su carga
es negativa y en que no forma parte de los núcleos
atómicos. El antiprotón es estable
en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin
embargo, cuando un antiprotón colisiona con un
protón, ambas partículas se transforman en
mesones,
cuya vida media es extremadamente breve. Si bien la existencia de
esta partícula elemental se postuló por primera vez
en la década de 1930, el antiprotón no se
identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación
de la Universidad de
California.
Los protones son parte esencial de la materia ordinaria,
y son estables a lo largo de periodos de miles de millones,
incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si
los protones acaban desintegrándose, en una escala
temporal de 1033 años o más. Este interés se
deriva de los actuales intentos de lograr teorías
de unificación que combinen las cuatro interacciones
fundamentales de la materia en un único
esquema.
Muchas de las teorías propuestas implican que el
protón es, en último término, inestable, por
lo que los grupos de
investigación de numerosos aceleradores de
partículas están llevando a cabo experimentos para
detectar la desintegración de un protón. Hasta
ahora no se han encontrado pruebas
claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras
formas.
El Neutrón es una partícula
eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la
del electrón y 1,00014 veces la del protón;
juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos
fundamentales del núcleo atómico y se les considera
como dos formas de una misma partícula: el
nucleón.
La existencia de los neutrones fue descubierta en 1932
por Chadwick; estudiando la radiación emitida por el
berilio bombardeado con partículas, demostró que
estaba formada por partículas neutras de gran poder de
penetración, las cuales tenían una masa algo
superior a la del protón.
El número de neutrones en un núcleo
estable es constante, pero un neutrón libre, en decir,
fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos
1000 segundos, dando lugar a un protón, un electrón
y un neutrino.
En un núcleo estable, por el contrario, el
electrón emitido no tiene la energía suficiente
para vencer la atracción coulombiana del núcleo y
los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor
intensidad disponible hoy día es el reactor nuclear. El
proceso
fundamental que conduce a la producción de energía nuclear es la
fisión de un núcleo de uranio originado por un
neutrón: en la fisión el núcleo se escinde
en dos partes y alrededor de tres neutrones por término
medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de
la escisión emiten, además otros
neutrones.
Los neutrones como todas las radiaciones, producen
daños directos, provocando reacciones nucleares y
químicas en los materiales
alcanzados. Una particularidad de los neutrones es la de producir
en los materiales irradiados sustancias radioactivas de vida
media muy larga. De ahí que los daños más
graves producidos por las explosiones nucleares sean los
provocados por neutrones en cuanto que las sustancias
transformadas en radiactivas por su acción
pueden ser asimiladas por organismos vivientes; pasado cierto
tiempo, estas sustancias se desintegran y provocan en el
organismo trastornos directos y mutaciones
genéticas
- Whitten K./ Gailey K./ Davis R.; Química
General; 3 ra Ed.; Mc Graw-Hill; México; 1992 - Molone L.; Introducción a La Química; 3
ra Ed.; Editorial Limusa; México;
1992
Marvin Chávez