Modelos Atómicos

 Desde el año 450 A.C hasta 1926 D.C

Tiempo de lectura = 20 mins

¿Qué es un modelo atómico?

Son las distintas representaciones gráficas de la estructura y funcionamiento de los átomos.

A lo largo de la historia estos han ido cambiando hasta llegar al modelo actual.

¿Qué es un átomo?

Es la estructura en la cuál se organiza la materia en el mundo físico o en la naturaleza. Su estructura está compuesta por diferentes combinaciones de tres sub-partículas, las cuáles son:
Neutrones, protones y electrones.
El átomo es la partícula más pequeña en la que un elemento se puede dividir sin perder sus propiedades químicas.

¿Cuáles son las partes del átomo?

Un átomo está estructurado por tres partículas Sub-atómicas, siendo estás: los neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones forman lo que se conoce como núcleo del átomo y el electrón es el que "orbita" libremente al rededor del núcleo. A su vez, el átomo se divide en dos partes, la corteza y el núcleo, siendo la corteza formada únicamente por los electrones y el núcleo por los neutrones y protones.

• Los Neutrones, tienen una carga total de 0 coulombs, por lo cuál se dice que no tiene carga.
• Los Protones, tienen una carga elemental positiva de 1,602 x 10^-19 coulombs, por lo tanto, se dice que tienen carga positiva.
• Los electrones, tienen una carga elemental negativa de 1,602 x 10^-19 coulombs, por lo tanto, su carga es negativa y desde un punto de vista físico, los electrones y protones tienen la misma carga elemental, pero con signos opuestos.

¿Cuál es el modelo atómico actual?

El modelo atómico aceptado y utilizado actualmente es el propuesto por:

SCHRÖDINGER & HEISENBERG

MODELOS ATÓMICOS

DEMÓCRITO 450 A.C. 

Demócrito de Abdera

Desarrolló la "Teoría atómica del universo" junto a su mentor Leucipo, haciendo uso del razonamiento lógico y el debate de ideas, pues en su época los conocimientos no siempre se alcanza mediante el proceso de experimentación.  

Su modelo atómico resalta que los átomos son eternos, inmutables e indivisibles.

Demócrito decía que el átomo era la partícula más pequeña que existía y sostenía que las propiedades de la materia estaban determinadas, por el modo en que los átomos se agrupaban. Después otros filósofos como Epicuro añadieron a la teoría el movimiento aleatorio de los átomos.

El átomo según Demócrito

Su teoría tiene más importancia filosófica que científica, aún así aportó las ideas principales de las que cientos de años después muchos científicos harían uso. 

JOHN DALTON 1808

John Dalton

Propuso el primer modelo atómico con fundamentos científicos en sus "Postulados atómicos". Mencionaba que el átomo era algo similar a una esfera diminuta, que era indivisible e inmutable, justo como Demócrito había planteado siglos antes. En su modelo atómico encontramos 7 postulados:

1) La materia está compuesta por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos.

2) Los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí. 

3) Los átomos de diferentes elementos tienen masas y propiedades distintas.

4) Los átomos permanecen sin división incluso cuando se combinan en reacciones químicas.

5) Los átomos, al combinarse para formar compuestos mantienen relaciones simples. 

6) Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.

7) Los compuestos químicos se forman al unir átomos de dos o más elementos distintos. 

Para John Dalton un átomo era una pequeña esfera. 

     

Átomos según Dalton. Recuperado de: https://concepto.de

El modelo atómico de Dalton y Demócrito contienen ciertos errores que se dieron a conocer muchos años después, el primero era que el átomo no es la partícula mas pequeña del universo, pues ahora tenemos conocimiento de la existencia de las partículas subatómicas. 

Dalton sostenía de igual forma que los gases eran sustancias monoatómicas, y que sus moléculas se componen siempre de la menor proporción posible. Esto desembocó en suponer que el agua estaba compuesta por un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno HO y a calcular erróneamente el peso atómico de muchos compuestos.

Considerando que este no fue el modelo atómico definitivo en la historia, Dalton nos entregó el primer modelo, fundacional para la química. De esta forma nos permitió dar respuesta a cuestionamientos sobre la materia, que para esa época no había respuesta.

Explicó el por qué los compuestos se formaban de acuerdo a cantidades fijas de cada átomo durante una reacción. 

Gracias a que se pudieron comprobar muchos postulados de Dalton, se fundaron las bases para la química del futuro. 

GILBERT N. LEWIS 1902

Gilbert N. Lewis. Recuperado de: 
https://www.atomicheritage.org

Conocido también como "Modelo del Átomo Cúbico" se proponía que la estructura de los átomos estaba distribuida en forma de cubo, en cuyos vértices se hallaban los electrones.

Esto permitió avanzar en el estudio de las valencias atómicas y los enlaces químicos, sobre todo luego de que Irving Langmuir plantease el "Átomo del octeto cúbico".

Estos estudios actuaron como base para lo que hoy se conoce como el diagrama de Lewis. El modelo tenía una serie de errores que llevaron a que este, fuera abandonado muy rápido, el principal consistía en que el modelo era consistente a la formación del enlace simple Cl-Cl para completar el octeto de dos átomos de cloro compartiendo dos electrones a lo largo de una arista.

También era consistente a la formación del doble enlace O=O compartiendo cuatro electrones a lo largo de una cara. Pero no había forma de que fuera consistente con la formación de un triple enlace de N2.

            

NOTAS ORIGINALES SOBRE EL MODELO DEL ÁTOMO CÚBICO

JOSEPH JOHN THOMSON 1904

Joseph John Thomson. Recuperado de:
 https://biografiacorta.co 

Descubrió que dentro del átomo existían sub partículas cargadas, el electrón y el protón. 

Diseñó su modelo atómico con base en 2 experimentos:

1) Usando un tubo de rayos catódicos entre dos placas con cargas opuestas, observó que el rayo se desvía, alejándose de la placa cargada negativamente y acercándose a la placa cargada positivamente. Esto demostró que el rayo estaba compuesto de partículas negativamente cargadas, se les llamó electrones.

2) Colocando dos imanes a cada lado del tubo, observó que el campo magnético también desviaba el rayo catódico. Los resultados permitieron descubrir que la masa de cada electrón era mucho menor que la del átomo. 

Thomson sabía que los átomos contenían una carga total neutra. Por lo que, debía existir una carga positiva dentro del átomo que compensara la carga negativa de los electrones.

La teoría del átomo de Thomson decía que los átomos estaban compuestos por electrones de carga negativa en un átomo positivo, esto nos llevó a la creación del Modelo del Pudin de Pasas, pues según el modelo atómico de Thomson, un átomo era una bola de carga positiva rellena de electrones con carga negativa, muy parecida a un bizcocho relleno de pasas. 

     

El error que encontramos en este modelo, fue pensar en que la carga positiva ocupaba todo el espacio del átomo y que los electrones eran las pasas.  

HANTARO NAGAOKA 1904

Hantarou Nagaoka  / 長岡 半太郎
Recuperado de:https://pantheon.world　

Conocido también como el modelo atómico saturniano, fue el primer modelo en mencionar la existencia de un núcleo atómico. Nagaoka basándose en que las cargas opuestas son impenetrables, propuso un modelo atómico basado en una esfera grande con carga eléctrica positiva, siendo pues esta esfera el núcleo atómico, siendo rodeado por varios electrones orbitando a su alrededor. El mismo Nagaoka describió estás órbitas circulares, como equivalentes a Saturno y sus anillos.  

                     

Este modelo, fue descartado por el modelo atómico de Rutherford pues este revelaba cuán equivocado estaba el modelo atómico saturniano. Llegando a corregir que, el núcleo era mucho más pequeño de lo que Nagaoka había propuesto y también hace mención a que un anillo con una carga eléctrica habría sido inestable a las oscilaciones en una dirección ortogonal al plano de rotación del anillo.

Tras encontrar que el modelo saturniano era incapaz de predecir los fenómenos espectro gráficos, como la formación de líneas espectrales y la radioactividad, Hantaro Nagaoka abandonó su propio modelo en 1908.

ERNEST RUTHERFORD 1911

Ernest Rutherford 

Su modelo atómico fue el primero en poder demostrar que un átomo está compuesto por un núcleo y una corteza. Siendo este un punto de quiebre con modelos atómicos anteriores, para poder llegar al modelo atómico conocido hoy en día.

Para poder afirmar esto, realizó un experimento que consistió en disparar un rayo delgado de partículas alfa sobre una lámina de oro puro. La lámina estaba rodeada de una pantalla detectora que destellaba cuando una partícula alfa la golpeaba. Como resultado obtuvo que la mayoría de partículas alfa atravesaban la lámina sin ser perturbadas, pero,  unas pocas se desviaban. 

Tomando como base los resultados de sus experimentos formuló qué:

1) La carga positiva debe estar localizada en un volumen muy pequeño del átomo, que también a su vez debe contener la mayor parte de la masa del mismo. 

2) Ya que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina de oro sin ser perturbadas, el átomo debía de estar prácticamente vacío.

Como conclusión para Rutherford el átomo estaba compuesto de un núcleo atómico cargado positivamente y una corteza en los que los electrones giran a gran velocidad alrededor del núcleo donde estaba prácticamente toda la masa del átomo. Siendo entonces la masa del átomo muy pequeña y de carga positiva.

             

Átomo según Rutherford

Rutherford también calculó el tamaño del átomo y lo comparó con el tamaño del núcleo, llegando a la conclusión de que una buena parte de la composición del átomo es espacio vacío. 

Algunos de los problemas que presentó este modelo atómico era su incapacidad de explicar cómo era posible que en el núcleo atómico se mantuvieran unidas un conjunto de cargas positivas, pues deberían repelerse, ya que son todas cargas del mismo signo y también no se podía explicar la estabilidad del átomo, pues al considerar a los electrones de carga negativa que giran alrededor del núcleo positivo, en algún momento estos electrones deberían perder energía y colapsar contra el núcleo. 

Este modelo atómico estuvo vigente por poco tiempo hasta que fuera sustituido oficialmente por el modelo atómico propuesto por Niels Bohr en 1913, en el cuál se resolvían algunos de los problemas anteriores y se sumaban las propuestas teóricas desarrolladas por Albert Einstein en 1905.

NIELS BOHR 1913

Niels Bohr

Logró explicar cómo es que los electrones giraban alrededor del núcleo del átomo. También este modelo da el inicio en el mundo de la física a los postulados cuánticos, por lo que se llega a considerar una transición entre la mecánica clásica y la cuántica. 

Haciendo uso de trabajos anteriores de otros científicos como los de Planck y Einstein, logró establecer que los electrones giraban alrededor del núcleo del átomo en unas órbitas específicas las cuales poseían un nivel de energía diferente. También demostró que cuando un electrón pasaba de una órbita más extrema a otra más interna emitía radiación electromagnética. 

El modelo atómico de Bohr indica que los electrones giran en torno al núcleo en unas órbitas circulares estables, y que pueden pasar de unas órbitas a otras ganando o perdiendo energía.

               

Bohr detalla en sus postulados que: 

Los electrones de un átomo se mueven en órbitas a cierta distancia del núcleo. Cada estado estable tiene una energía constante. 

A cualquier nivel energético estable, el electrón se mueve en una órbita circular. Estas órbitas se denominan niveles de energía o capas. 

Mientras el electrón está en uno de sus estados estacionarios, el átomo no emite luz (radiación). Sin embargo, cuando este pasa de un nivel de energía alto a un nivel de energía más bajo, emite un cuantos de luz igual a la diferencia de energía entre los niveles. 

Bohr explica que, el electrón en movimiento circular al nivel de energía más cercano al núcleo es estable, no emite luz. Pero si se le da la suficiente energía al electrón, este saltará a un nivel de energía más alto que el nivel de energía en el que se encuentra. 

En este estado, el átomo es inestable, y para lograr estabilizar de nuevo al átomo, el electrón vuelve a su antiguo nivel energético, lanzando un fotón con una energía igual al nivel de energía que recibió.

Algunos de los errores del modelo atómico de Bohr son qué: 

Dado que los electrones son muy rápidos, deben considerarse no solo en la física clásica sino también en la teoría de la relatividad.

El modelo de Bohr sólo puede explicar los espectros de átomos de un solo electrón, en este caso de Hidrógeno, y no puede explicar los espectros de átomos de varios electrones.

ARNOLD SOMMERFELD 1916

Arnold Sommerfeld

Este es una extensión del modelo atómico de Bohr, tomando en cuenta las correcciones realizadas por Arnold Sommerfeld y con ayuda de la teoría de la relatividad de Einstein.

Sommerfeld, logró descubrir que ciertos átomos alcanzan velocidades cercanas a la velocidad de la luz.

Las modificaciones básicas que realizó Sommerfeld al modelo atómico de Bohr fueron:

• Los electrones se mueven alrededor del núcleo del átomo, en órbitas circulares o elípticas.

• A partir del segundo nivel energético existen uno o más subniveles en el mismo nivel. 
• El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

    

Buscando dar solución a los problemas del modelo atómico de Bohr, Sommerfeld postuló que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles, con energías un poco diferentes. 

El modelo atómico de Sommerfeld introdujo dos modificaciones importantes:

Velocidades relativistas 

En los átomos, los electrones se mueven en órbitas circulares y elípticas a diferencia del modelo de Bohr en donde se mencionaba que los electrones sólo giraban en órbitas circulares. 

Un elemento clave en el modelo Bohr-Sommerfeld, fue la fórmula Wilson-Sommerfeld.

         

SCHRÖDINGER & HEISENBERG 1926

Erwin Schrödinger

Este modelo mecánico cuántico del átomo parte de la ecuación de Schrödinger. Gracias a esta ecuación se podía conocer la probabilidad de encontrar un electrón en un determinado punto de un átomo. A día de hoy no existe ningún otro modelo más preciso sobre la estructura del átomo, es por esto que nos referimos a este como el modelo atómico actual. 

Hasta antes de conocer este modelo atómico, se consideraba que los electrones sólo giraban en órbitas circulares alrededor del núcleo atómico, sin embargo Erwin Schrödinger afirmó que los electrones también podían girar en órbitas elípticas más complejas y logró calcular los efectos relativistas.

Darle solución a la ecuación de Schrödinger implica uso de matemáticas complejas y esta también es conocida como funciones de onda, la cuál nos da solo la probabilidad de encontrar un electrón en un punto dado alrededor del núcleo.

En base de la dualidad de onda partícula, es que, Schrödinger y Heisenberg desarrollan lo que hoy día es el modelo atómico aceptado y utilizado.

Werner Heisenberg

Las diferencia principal entre el modelo atómico de Bohr y Schrödinger destaca en que, Bohr establecía una ruta exacta de cada electrón dentro del átomo y Schrödinger haciendo uso del modelo mecánico-cuántico sólo puede predecir las probabilidades de la posición del electrón. 

En un principio, el modelo de Schrödinger consideraba que los electrones actuaban como ondas de materia. Pasado un tiempo, Max Born realizó una interpretación probabilística de la función de onda de los electrones. Sin embargo, en estas predicciones no era posible conocer la cantidad de movimiento y la posición a la vez debido al principio de incertidumbre de Heisenberg.

El nuevo modelo atómico se puede representar como una nube de puntos, los cuales representan a los electrones, alrededor del núcleo del átomo. Haciendo uso de esta nube de puntos, Schrödinger logró introducir por primera vez el concepto de niveles de sub-energía.

Modelo Atómico Schrödinger - Heisenberg

Haciendo uso del modelo de Schrödinger podemos predecir la variación de los niveles energéticos de los electrones cuando existe un campo eléctrico o un campo magnético, las líneas de emisión espectrales, tanto de átomos ionizados como neutros y también el modelo explica la estabilidad de las moléculas y los enlaces químicos.

También es importante resaltar que en este nuevo modelo existen algunos errores: 

No tiene en cuenta los efectos relativistas de los electrones rápidos.

El modelo tampoco tiene en cuenta el espín electrónico. 

También, este modelo es incapaz de explicar por qué razón un electrón en un estado cuántico excitado puede decaer hacia otro nivel energético inferior si existe alguno libre.

AGRADECIMIENTOS

FUENTES

• https://concepto.de/modelos-atomicos/
• http://www.secst.cl/colegio-online/docs/19062020_612am_5eecabae5cc6d.pdf
• https://concepto.de/teoria-atomica-de-dalton/
• https://concepto.de/modelo-atomico-de-rutherford/
• https://iesodelcamino.educacion.navarra.es/blogs/elrincondechispa/files/2019/02/MODELOS-ATOMICOS.pdf
• https://quimicafacil.net/infografias/teorias-y-modelos-atomicos/modelo-atomico-de-lewis/
• https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo/modelos-atomicos/modelo-atomico-de-nagaoka
• https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo/modelos-atomicos/modelo-atomico-de-sommerfeld
• https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo/modelos-atomicos/modelo-atomico-de-schrodinger
• https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/atomo

Si te gustó este trabajo, o tienes alguna sugerencia puedes hacerla en la sección de comentarios, de igual forma no te olvides de compartir y seguirme para hacer crecer a nuestra comunidad.

¡Gracias por leer y nos vemos en una futura publicación!