Los Modelos Atómicos y su Evolución Histórica

Los modelos atómicos y sus teorías en detalle representan uno de los pilares fundamentales en la comprensión de la estructura de la materia. El desarrollo histórico de estos modelos muestra cómo la ciencia ha evolucionado en su comprensión del átomo.

John Dalton presentó en 1803 la primera teoría atómica moderna, proponiendo que la materia estaba constituida por partículas indivisibles denominadas átomos. Este modelo, aunque simple, estableció las bases para el desarrollo de teorías posteriores.

Definición: El modelo atómico de Dalton considera al átomo como una esfera maciza e indivisible, similar a una bola de billar.

Las diferencias entre modelos atómicos de Dalton, Thomson y Rutherford son significativas. Thomson descubrió el electrón en 1897 y propuso un modelo donde el átomo era una esfera de carga positiva con electrones incrustados, similar a un "pudín de pasas". Rutherford, por su parte, revolucionó esta concepción en 1911 con su famoso experimento de la lámina de oro, estableciendo el modelo planetario.

Destacado: El modelo de Rutherford presentaba dos problemas fundamentales: la inestabilidad del átomo y la imposibilidad de explicar los espectros atómicos.

El Modelo Atómico de Bohr y los Espectros Atómicos

La explicación del modelo atómico de Bohr en espectros atómicos representa un avance crucial en la física atómica. En 1913, Niels Bohr propuso un modelo que resolvía las deficiencias del modelo de Rutherford y explicaba los espectros atómicos observados experimentalmente.

Ejemplo: Cuando los electrones cambian de nivel energético, emiten o absorben energía en forma de luz, produciendo las líneas espectrales características de cada elemento.

El modelo de Bohr estableció que los electrones solo pueden ocupar determinadas órbitas con energías específicas, introduciendo el concepto de niveles energéticos cuantizados. Este modelo explicaba satisfactoriamente el espectro del hidrógeno y sentó las bases para la mecánica cuántica moderna.

Vocabulario: Los orbitales atómicos son regiones del espacio donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar un electrón.

Estructura Atómica y Partículas Fundamentales

Las partículas fundamentales del átomo (protones, neutrones y electrones) definen sus propiedades químicas y físicas. Los protones y neutrones se encuentran en el núcleo, mientras que los electrones orbitan en la corteza electrónica.

El número atómico (Z) y el número másico (A) son fundamentales para identificar los elementos químicos. Z representa el número de protones, mientras que A es la suma de protones y neutrones.

Definición: Los isótopos son átomos del mismo elemento (igual Z) pero con diferente número de neutrones (diferente A).

Los iones se forman cuando los átomos pierden o ganan electrones. Los cationes son iones con carga positiva (pérdida de electrones), mientras que los aniones tienen carga negativa (ganancia de electrones).

Configuración Electrónica y Diagrama de Moller

La configuración electrónica describe la distribución de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía. El diagrama de Moller proporciona una guía visual para determinar el orden de llenado de los orbitales.

Los orbitales se llenan siguiendo el principio de Aufbau, el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund. Los electrones de valencia, que son los más externos, determinan las propiedades químicas del elemento.

Ejemplo: Para el carbono $Z=6$, la configuración electrónica es 1s² 2s² 2p², con 4 electrones de valencia.

La estructura electrónica determina la posición de los elementos en la tabla periódica y explica sus propiedades químicas y físicas.

Propiedades Periódicas y Enlaces Químicos

Las propiedades periódicas de los elementos químicos son características fundamentales que varían de manera sistemática a lo largo de la tabla periódica. El radio atómico, una propiedad esencial, representa la distancia entre el núcleo del átomo y su electrón más externo.

Definición: El radio atómico es la medida del tamaño de un átomo, calculada como la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos adyacentes del mismo elemento en su estado sólido.

La energía de ionización, otra propiedad periódica crucial, determina la facilidad con que un átomo puede perder electrones. Esta propiedad aumenta de izquierda a derecha en un periodo y disminuye de arriba hacia abajo en un grupo.

Ejemplo: En el caso del sodio (Na) y cloro (Cl), que pertenecen al mismo periodo, el sodio tiene mayor radio atómico pero menor energía de ionización que el cloro debido a su posición en la tabla periódica.

Enlaces Químicos y sus Características

Los enlaces químicos son fuerzas fundamentales que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas y compuestos. Existen tres tipos principales: iónico, covalente y metálico.

Destacado: El enlace químico es la fuerza electrostática responsable de la unión entre átomos o moléculas, buscando alcanzar la configuración electrónica de gas noble (regla del octeto).

Los enlaces iónicos, característicos entre metales y no metales, producen compuestos con altos puntos de fusión y ebullición, son solubles en agua y conducen electricidad en estado líquido. Los enlaces covalentes, formados entre no metales, pueden dar lugar a sustancias moleculares o sólidos covalentes atómicos con propiedades distintivas.

El enlace metálico, presente entre metales, confiere propiedades únicas como ductilidad, maleabilidad y alta conductividad eléctrica y térmica.

Diagramas de Lewis y Fuerzas Intermoleculares

Los diagramas de Lewis son representaciones fundamentales que muestran la disposición de los electrones de valencia en moléculas covalentes. Esta herramienta visual permite comprender la formación de enlaces y la estructura molecular.

Vocabulario: Las fuerzas intermoleculares son interacciones entre moléculas, más débiles que los enlaces químicos pero fundamentales para determinar propiedades físicas.

Las fuerzas de Van der Waals, presentes en todas las moléculas, son interacciones débiles pero universales. Los puentes de hidrógeno, por otro lado, son fuerzas especialmente importantes entre moléculas que contienen hidrógeno unido a átomos pequeños y electronegativos como nitrógeno, oxígeno o flúor.

Ejemplo: En la molécula de CH₂, el carbono comparte sus cuatro electrones de valencia con dos átomos de hidrógeno, formando enlaces covalentes que pueden representarse mediante un diagrama de Lewis.