Estabilidad y disociación térmica
Cada sustancia química posee una estabilidad determinada. Al calentar las moléculas orgánicas (por ejemplo, los carbohidratos de la patata), estas experimentan una descomposición térmica y se carbonizan. Sin embargo, a temperaturas extremas —de 4000 a 5000 °C—, incluso los compuestos más estables se descomponen.
Se produce la disociación térmica: las moléculas se desintegran en átomos aislados y forman una mezcla gaseosa. En la naturaleza, este estado de la materia es característico, por ejemplo, de las capas superiores del Sol. El proceso es totalmente reversible: al enfriarse, los átomos se recombinan para formar las sustancias complejas originales u otras nuevas.
Modelo planetario y partículas subatómicas
Hasta finales del siglo XIX, el átomo se consideraba una esfera sólida indivisible. En 1911, E. Rutherford llevó a cabo un experimento bombardeando una lámina de oro con partículas $\alpha$ (con carga +2). Se descubrió que casi todas las partículas atravesaban el metal libremente y solo unas pocas se desviaban bruscamente.
Esto llevó al establecimiento del modelo planetario del átomo:
- La mayor parte del volumen del átomo es espacio vacío.
- En el centro se encuentra un núcleo ultradenso con carga positiva.
- Los electrones se mueven en órbitas alrededor del núcleo.
| Partícula | Símbolo | Carga | Masa relativa |
|---|---|---|---|
| Protón | $p^+$ | +1 | ~1 (1836 masas de electrón) |
| Neutrón | $n^0$ | 0 | ~1 (1838 masas de electrón) |
| Electrón | $e^-$ | –1 | 1 |
Núcleo y defecto de masa
El núcleo está compuesto por nucleones: protones y neutrones. A pesar de la potentísima repulsión entre protones con igual carga, el núcleo no se desintegra. Su estabilidad está garantizada por la interacción nuclear fuerte, una atracción especial entre partículas a distancias ultracortas.
Las mediciones precisas muestran que la masa de cualquier átomo es siempre ligeramente inferior a la suma de las masas de todos sus protones, neutrones y electrones por separado. Esta diferencia se denomina defecto de masa.
¿Adónde va a parar la masa? De acuerdo con la fórmula de Einstein $E = m \cdot c^2$, este «exceso» se convierte en una energía de enlace gigantesca durante la formación del núcleo. En las reacciones químicas, este defecto de masa es tan ínfimo (fracciones de miligramo por cientos de miles de toneladas de reactivos) que la ley de conservación de la masa se considera absolutamente aplicable.
Teoría cuántica y espectros
Los electrones de un átomo no se comportan simplemente como planetas en órbita. Poseen tanto propiedades corpusculares como ondulatorias (son capaces de difractarse, al igual que la luz).
La energía del electrón adopta solo valores estrictamente determinados (permitidos). El electrón cambia su energía exclusivamente de forma discontinua (por saltos), absorbiendo o emitiendo un fotón, que es un cuanto de radiación electromagnética con una energía $E = h\nu$. Precisamente por esto, los gases incandescentes no producen un espectro continuo, sino un espectro de líneas único (un conjunto de líneas oscuras o claras a determinadas longitudes de onda), mediante el cual se puede determinar con precisión la composición química de una sustancia.
Isótopos
El tipo de elemento químico viene determinado por el número de protones en el núcleo. Sin embargo, la cantidad de neutrones puede variar. Los átomos de un mismo elemento con distinto número de neutrones son isótopos. Un claro ejemplo es el hidrógeno, que tiene tres isótopos principales:
- Protio (${}^1_1\text{H}$): 1 protón (sin neutrones).
- Deuterio (${}^2_1\text{H}$): 1 protón, 1 neutrón.
- Tritio (${}^3_1\text{H}$): 1 protón, 2 neutrones (radiactivo).
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué números cuánticos describen el estado del electrón en el átomo?
El estado del electrón en el átomo se describe mediante un conjunto de números cuánticos que incluye el número cuántico principal, el número cuántico azimutal (u orbital), el número cuántico magnético y el número cuántico de espín. El número cuántico principal determina la energía del electrón. El número cuántico azimutal determina la forma del orbital atómico y toma valores enteros desde 0 hasta n - 1. El número cuántico magnético caracteriza la orientación espacial del orbital electrónico y toma valores desde -l hasta +l. El número cuántico de espín caracteriza el giro propio del electrón sobre su eje y toma los valores +1/2 y -1/2.
¿Qué formas tienen los orbitales electrónicos s, p y d?
El número cuántico azimutal determina la forma del orbital atómico. Al valor l = 0 le corresponde el subnivel s, a l = 1 el subnivel p, y a l = 2 el subnivel d. Las formas geométricas concretas de los orbitales s, p y d no se describen en las fuentes citadas. Para los subniveles s, p y d son posibles 1, 3 y 5 orientaciones espaciales del orbital, respectivamente.
¿En qué consisten el principio de exclusión de Pauli y la regla de Hund al rellenar los orbitales electrónicos?
El principio de Pauli determina el número máximo de electrones que pueden encontrarse en un mismo orbital, indicando que un orbital alberga como máximo dos electrones con espines opuestos que forman un par electrónico. La regla de Hund establece que el estado fundamental estable de un átomo corresponde a la ocupación por los electrones del número máximo de orbitales energéticamente equivalentes con los mismos números cuánticos de espín paralelos. Esto permite disminuir la repulsión interelectrónica y reducir la energía total del sistema.
¿En qué se diferencia el modelo mecanocuántico del átomo del modelo planetario de Rutherford?
El modelo planetario clásico de Rutherford presupone el movimiento de los electrones por trayectorias definidas alrededor del núcleo de manera similar a los planetas, mientras que la teoría mecanocuántica señala la naturaleza cuántica de los procesos y las propiedades ondulatorias de la materia. De acuerdo con la teoría cuántica, la energía de los electrones en el átomo no es continua, sino que adopta solo valores permitidos, cambiando únicamente por saltos. Esta diferencia fundamental entre el movimiento de los electrones y el de los planetas se confirma con la existencia de espectros de líneas y la naturaleza ondulatoria de los electrones.
¿Cuál es la configuración electrónica del átomo de carbono en su estado fundamental y excitado?
En su estado fundamental, el átomo de carbono tiene dos electrones desapareados. En el estado excitado, un electrón pasa a un orbital vacante, como consecuencia de lo cual se forman cuatro electrones desapareados. Por esta razón, el carbono muestra una valencia IV en sus compuestos. La configuración electrónica específica del carbono como la notación 1s²2s²2p² y la de su estado excitado no se indican en las fuentes proporcionadas.
Para averiguar el número de neutrones (N) en el núcleo, utilice una regla sencilla: reste del número másico (A, superíndice) el número atómico (Z, subíndice). Es decir: N = A – Z.
Preguntas de clases y exámenes
¿Desaparecen los átomos durante las reacciones químicas?
No. Durante las transformaciones químicas, el átomo no se divide ni desaparece. Lo único que cambia es la distribución de los electrones entre los átomos, mientras que el núcleo permanece siempre inalterado.
¿Por qué los números en la tabla de masas atómicas no son enteros?
En la naturaleza, los elementos existen en forma de una mezcla de diversos isótopos. La masa atómica de la tabla es un valor promediado, calculado teniendo en cuenta las fracciones másicas de los isótopos ligeros y pesados de dicho elemento.
¿Existen núcleos donde haya más protones que neutrones?
En la gran mayoría de los casos, hay tantos o más neutrones que protones. La única excepción entre los núclidos estables es el núcleo de helio-3 (2 protones y 1 neutrón).
Qué más repasar sobre el tema
- Historia del atomismo: desde las hipótesis de Demócrito hasta los postulados de J. Dalton
- Cálculo matemático de las fracciones másicas de los isótopos (utilizando el cloro como ejemplo)
- Principio de funcionamiento del espectrómetro de masas para la separación de partículas según sus masas
- Análisis de difracción de rayos X en redes cristalinas (método de Laue)
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