Estructura de la Materia

La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Toda la materia está formada por partículas pequeñísimas, invisibles a simple vista. Aunque una estructura pueda parecer maciza, en realidad está llena de espacios vacíos. A menudo, los materiales nos dan la sensación de ser sólidos.

Estructura de los Átomos

Cada porción de materia está compuesta por una enorme cantidad de átomos. Toda la materia de un átomo se concentra en su zona central, el núcleo. Los protones tienen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga, por lo que no experimentan fuerzas electromagnéticas. Alrededor del núcleo, hay una nube de electrones, partículas con carga eléctrica negativa. Los electrones giran a gran velocidad en torno al núcleo, del cual no se alejan debido a la atracción electrostática con los protones. En cada átomo, hay tantos electrones como protones en el núcleo.

Variedad de Átomos

Los átomos se clasifican según su número atómico (Z), que indica el número de protones en el núcleo. Los materiales compuestos por un solo tipo de átomo se denominan elementos químicos. Los átomos reciben el nombre del elemento químico con el que comparten el mismo número atómico (por ejemplo, todos los átomos con Z=6 se llaman carbono). Otro componente crucial de los átomos son los electrones, cuya rotación alrededor del núcleo ocupa regiones llamadas órbitas, que pueden ser esféricas o tener forma de ocho.

Isótopos

Los elementos químicos se distinguen por su número atómico, pero también existen diferencias entre los átomos de un mismo elemento. Para diferenciar los isótopos, se utiliza el número másico (A), que representa la suma de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.

Iones

La intensidad de la fuerza entre dos partículas con carga eléctrica opuesta disminuye a medida que se alejan. Cuando un electrón está más alejado del núcleo, la fuerza que lo une a un protón es más débil, facilitando su separación del núcleo. Los átomos pueden perder o ganar electrones externos, adquiriendo carga eléctrica positiva o negativa. Un átomo en estas condiciones, con defecto o exceso de electrones, se llama ion.

Modelos Atómicos

Teoría de Dalton

• La materia es discontinua (Verdadero).
• La materia está formada por pequeñas esferas compactas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos (Falso, los átomos no son compactos y pueden dividirse).
• Los átomos de una misma sustancia pueden tener diferente masa.
• Los átomos de sustancias diferentes son distintos entre sí (Verdadero).
• Cuando se combinan, los átomos forman átomos complejos (Falso, forman moléculas complejas).
• Los átomos se combinan en números enteros y sencillos, y en proporciones constantes (Verdadero).

Teoría Atómica de Bohr

Bohr propuso que los electrones solo pueden tener un conjunto discreto de valores de energía, llamados niveles energéticos. Cada nivel de energía corresponde a una órbita en la que se encuentran los electrones alrededor del núcleo, identificados por el número cuántico principal (n). El modelo de Bohr explica los espectros de absorción de los gases, pero fallaba para átomos más complejos. La solución a este problema vino con la propuesta de Sommerfeld.

Modelo de Thomson (Budín con Pasas)

Thomson estudió las descargas eléctricas en tubos, conocidos como rayos catódicos. El aire enrarecido permite que, al chocar una partícula con una molécula de oxígeno o nitrógeno, se produzca iluminación. Al aplicar un alto voltaje entre los electrodos, un rayo viajaba hacia el ánodo, indicando partículas negativas (electrones) repelidas desde el cátodo.

• Los rayos catódicos se producen en tubos de descarga a baja presión de aire.
• Los rayos catódicos son partículas con carga negativa procedentes del electrodo negativo.
• El modelo de Thomson supone que el átomo es neutro.
• Los rayos catódicos permitieron descubrir los electrones, partículas con carga negativa y masa despreciable.

Modelo de Rutherford (Experimento de la Lámina de Oro)

Resultados: La mayoría de las partículas alfa (+) no se desviaban, pasando por espacios vacíos. Las que se desviaban pasaban cerca de los núcleos (+), y las que rebotaban chocaban contra ellos.

Conclusión:

• El átomo tiene un núcleo central con carga positiva.
• Los electrones giran alrededor del núcleo sin chocar con él.
• El número de electrones compensa la carga positiva del núcleo.
• Los electrones tienen masa despreciable.

Problema: Rutherford decía que los electrones giraban alrededor del núcleo, pero toda carga eléctrica en movimiento genera energía, y la pérdida de energía reduciría la velocidad del electrón, atrayéndolo hacia el núcleo.

Mecánica Cuántica

Rutherford no explicaba el comportamiento de los electrones. La mecánica cuántica propone que la energía está cuantificada, es decir, solo puede cambiar en saltos o cuantos de energía. Planck concluyó que la energía de las radiaciones está cuantificada: cuanto mayor es la frecuencia de una radiación, mayor es la energía de sus fotones.

Modelo Atómico Actual

Los orbitales atómicos tienen distintas formas geométricas. La probabilidad de encontrar un electrón es máxima en la zona de mayor densidad de la nube electrónica.

Números Cuánticos y Configuración Electrónica

• Número cuántico principal (n): Clasifica los orbitales según la energía.
• Número cuántico azimutal (l): Designa la forma del orbital. Si n=4, l puede ser 0, 1, 2, 3.
• Número cuántico magnético (m): Indica la orientación de los orbitales en el espacio. Si n=3, l=0, 1, 2, entonces m puede ser -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.
• Número cuántico de espín (s): Independiente de los otros números cuánticos, toma valores de +1/2 o -1/2 según la rotación del electrón.

Configuración Electrónica de los Átomos

Según el principio de exclusión de Pauli, cada orbital puede contener hasta dos electrones. La distribución de electrones en los orbitales se denomina configuración electrónica.

Regla de las Diagonales

La regla de las diagonales es una forma práctica para completar los subniveles y niveles de energía de un átomo, indicando el orden de llenado de los orbitales.

Enlaces Químicos

Un enlace o unión química es la fuerza que mantiene unidos a dos o más átomos, formando una partícula más estable. La electronegatividad, propuesta por Pauling, es la tendencia de un átomo a atraer electrones en un enlace químico. Es una propiedad relativa, sin valores absolutos ni unidades.

Clasificación de Enlaces

• Enlace Iónico: Unión entre átomos de metales y no metales, basada en la transferencia de electrones. Los metales se transforman en cationes y los no metales en aniones. Todo compuesto iónico debe ser eléctricamente neutro.
• Enlace Covalente: Los átomos no metálicos, con alta electronegatividad, comparten electrones. Los compuestos formados por uniones covalentes se llaman moleculares.

Tipos de Sustancias

• Sustancias simples: Formadas por átomos del mismo elemento.
• Sustancias compuestas: Formadas por átomos de diferentes elementos.

Los enlaces covalentes pueden ser simples (un par de electrones compartidos), dobles (dos pares) o triples (tres pares). En la unión covalente dativa o coordinada, ambos electrones provienen del mismo átomo.

Reacciones Químicas

Las reacciones químicas implican cambios en la composición de la materia, donde los reactivos se transforman en productos. Los átomos, iones y moléculas de los reactivos chocan, rompiendo y formando nuevos enlaces.

Ecuaciones Químicas

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas, con reactivos en el miembro izquierdo y productos en el derecho.

Balance de Ecuaciones Químicas

Para transformar una reacción química en una ecuación, se incluyen coeficientes estequiométricos para igualar el número de átomos de cada elemento en ambos miembros, cumpliendo la ley de conservación de la masa.

Clasificación de Reacciones Químicas

• Síntesis: Dos o más sustancias reaccionan para formar un único producto (A + B = C).
• Descomposición: Un reactivo se descompone en dos o más productos (A = B + C).
• Sustitución: Uno o más átomos de los reactivos reemplazan a otros. Puede ser simple (A + BC = AC + B) o doble (AB + CD = AC + BD).

Energía

La energía está asociada a la capacidad de producir cambios. Según la ley de conservación de la energía, la cantidad total de energía siempre es la misma.

Tipos de Energía

• Energía Cinética (EC): Energía del movimiento, dependiente de la rapidez y la masa del cuerpo (EC = 1/2 * m * v²).
• Energía Potencial: Energía asociada a la atracción entre cuerpos. Puede ser:
  • Energía Potencial Gravitatoria: Depende de la altura y el peso del cuerpo.
  • Energía Potencial Elástica: Acumulada en cuerpos elásticos deformados.
  • Energía Potencial Eléctrica: Asociada a la fuerza eléctrica entre cargas.
  • Energía Potencial Química: Energía almacenada en las uniones entre átomos y moléculas.

Sistemas Conservativos y No Conservativos

La suma de la energía cinética y potencial se llama energía mecánica. En un sistema conservativo, la energía mecánica se conserva. En un sistema no conservativo, la energía mecánica se transforma en energía térmica debido al rozamiento. La segunda ley de la termodinámica establece que en toda transformación, la energía se conserva, pero una parte se desordena y se desperdicia.