• ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

à La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, en las que se distinguen dos partes diferenciadas: el núcleo o parte central y la corteza, en la que giran los electrones a gran velocidad.

1.1. El núcleo atómico

El núcleo de un átomo lo forman protones y neutrones, en él se encuentra la carga positiva y casi toda la masa del átomo, pero ocupa un volumen diez mil veces menor que el volumen total del mismo. La característica que diferencia a dos átomos de distintos elementos es el número de protones de su núcleo, es decir, que átomos con distinto número atómico, pertenecen a elementos distintos.

El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo y es característico para cada elemento.

• El número másico (A) es la suma del número de los protones (Z) y los neutrones (N) de un átomo

  
  

La mayoría de los elementos químicos están formados por átomos de distinta masa, ya que un elemento químico es una sustancia formada por átomos que poseen el mismo número atómico.

• Dos átomos son isótopos cuando perteneciendo al mismo elemento, es decir, teniendo el mismo número de protones: (Z), poseen diferente número de neutrones (N) y, por ello, diferente número másico (A).
  

Masa de un átomo y masa de un elemento

La masa atómica o masa atómica relativa es la masa que tiene un átomo comparada con la de otro átomo tomado como patrón, el isótopo de carbono 12; sin embargo, la masa de un elemento es la media ponderada de las masas de todos sus isótopos.

à Siendo m₁, m₂, m_n las masas de los isótopos y %₁, %₂, %_n su abundancia.

1.2. La corteza atómica y su estructura

Una serie de hechos ya conocidos, que llevarían al átomo a su autodestrucción, junto al descubrimiento de los espectros de rayas, indicaban la necesidad de modificar el modelo atómico de Rutherford.

Espectros

• Un espectro es un registro fotográfico de la energía que desprenden los cuerpos

  
  

Si la luz del Sol se hace pasar por una rendija muy estrecha y a continuación por un prisma, se observa una imagen con los colores del arco iris: es un espectro continuo.

Tanto el Sol como el cuerpo incandescente desprenden energía.
Pero si es la luz de un elemento muy caliente la que se hace pasar por el prisma, se obtiene una serie de líneas de colores brillantes sobre un fondo negro, es decir, un espectro de rayas o espectro discontinuo.

Este tipo de espectros que registran la luz que emite un cuerpo se llaman espectros de emisión, pero existen otros en los que el registro corresponde a la energía que atraviesa a un cuerpo, apareciendo unas rayas negras que indican la energía absorbida por dicho cuerpo; estos son espectros de absorción.

Modelo atómico de Bohr

El físico danés Niels Bohr (1885-1962) ideó, en el año 1913, un nuevo modelo para el átomo que explicaba los espectros de rayas y solventaba los problemas del modelo de Rutherford. El modelo atómico de Bohr está basado en los siguientes postulados:

• El electrón gira solamente en unas órbitas circulares en las que no emite energía; dichas órbitas tienen unos valores determinados para sus radios.
  • Estas órbitas permitidas reciben el nombre de órbitas estacionarias.
  • El electrón tiene una energía determinada en cada una de las órbitas, que es mayor cuanto más alejada está del núcleo. Por esta razón, Bohr llamó a las órbitas niveles de energía.
  • Cuando el electrón adquiere la energía suficiente salta de una órbita a otra superior y, cuando deja de recibir esa energía, regresa a su órbita primitiva y emite la energía que le sobra en forma de radiación.

Si los átomos que forman cada elemento químico producen espectros de rayas y los espectros revelan la emisión de energía, es de suponer que los átomos emiten energía a saltos y no de manera continua.

Bohr calculó el número máximo de electrones que pueden alojarse en cada nivel de energía. Este número se calcula mediante la siguiente expresión:

• Número máximo de e- por nivel = 2n2

Donde n es el número de orden del nivel de energía.

Modificaciones al átomo de Bohr

Con un estudio más detallado de los espectros se descubrió que algunas de las rayas no eran una sola, sino que en realidad estaban desdobladas en dos bandas (doblete) o en tres bandas (triplete) y muy próximas entre sí; a esto se le llama estructura fina de los espectros.

En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1869-1951) modifica y completa el átomo de Bohr con las siguientes ideas:

• Los desdoblamientos de las rayas de los espectros se corresponden con un mayor número en los saltos electrónicos.
  • Alrededor del núcleo existen capas electrónicas; una capa electrónica es un conjunto de órbitas de energía muy próximas.
  • La primera capa está formada solo por una órbita circular, pero las demás contienen órbitas circulares y elípticas.
  • A cada capa le corresponde un nivel de energía que, salvo el primero, se desdobla en varios subniveles, tantos como órbitas contiene.
• Las capas electrónicas se nombran con letras: K, L, M, N, O, P y Q, de más a menos cercanas al núcleo. Los subniveles de estas capas electrónicas reciben los nombres: s, p, d, y f.

• EL SISTEMA PERIÓDICO

à Después de varios intentos para clasificar los elementos químicos, en 1913 se descubrió que las propiedades de los elementos estaban relacionadas con su número atómico, siendo esta característica de los átomos la que se utiliza para ordenarlos en la actualidad.

2.1. Clasificación actual de los elementos químicos

Los elementos se ordenan según número atómico creciente en periodos o filas y grupos o columnas.

• Descripción de los periodos. Los elementos de un mismo periodo tienen el mismo número de capas electrónicas, lo que influye en sus propiedades físicas. Los periodos son siete:
• 1° periodo. Es un periodo muy corto formado únicamente por 2 elementos.
• 2° y 3° periodos. Son periodos cortos formados por 8 elementos cada uno.
• 4° y 5° periodos. Son periodos largos formados por 16 elementos cada uno.
• 6° y 7° periodos. Son periodos muy largos formados por 32 elementos; el séptimo periodo está incompleto y cuando terminen de obtenerse artificialmente sus elementos, tendrá 32, igual que el periodo anterior.

• Descripción de los grupos. Los elementos de un mismo grupo tienen idéntico número de electrones en su última capa, lo que influye en sus propiedades químicas. Los grupos son 18 y se numeran del 1 al 18.
  • Grupo 1: metales alcalinos.
  • Grupo 2: metales alcalinotérreos.
  • Grupos 3-12: metales de transición.
  • Grupo 13: boranos.
  • Grupo 14: carbonoideos.
  • Grupo 15: nitrogenoideos.
  • Grupo 16: calcógenos.
  • Grupo 17: holóqenos.
  • Grupo 18: gases nobles.

2.2. Regularidades periódicas

Las propiedades de los elementos varían de forma regular a medida que nos desplazamos por el sistema periódico. El responsable último de las propiedades de los elementos es el número atómico y también de su distribución electrónica.

Variación de las propiedades en los periodos

Al desplazarnos a lo largo de un periodo aumenta el número atómico, y por ello el número de electrones de los átomos se va incrementando en una unidad; sin embargo, el número de capas electrónicas es el mismo en todo el periodo.

Propiedades en los grupos

Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades similares, por ello se dice que pertenecen a la misma familia. Los elementos del mismo grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa, por lo que tienen un comportamiento químico parecido.