Ciencias Naturales - Química Inorgánica
Ciencias Naturales - Química Inorgánica
2.1 Primeras Ideas Acerca del Átomo
La teoría atómica se basa en la suposición (comprobada, después, por datos experimentales) de que la materia no es continua sino que está formada por partículas distintas. Esta teoría describe una parte de nuestro mundo material a la que no es posible acceder por observación directa, sin embargo, permite explicar las propiedades de las diversas sustancias por medio de modelos que han ideado los científicos e investigadores a lo largo de la evolución de la química como ciencia.
El modelo atómico ha pasado por diversas concepciones; cada una de ellas explicó, en su momento, todos los datos experimentales de los cuales se disponía, pero con el tiempo fue necesario modificarlos para adaptarlos a los nuevos datos y necesidades de las investigaciones. Cada modelo se apoya en los anteriores, conservando determinados aspectos y modificando otros.
Los orígenes de la primera teoría sobre el átomo se ubica en las antiguas doctrinas filosóficas indias VAISHESHIKA y NIAIA, en ellas se consideraba que "las cosas que existen en el mundo están constituidas por pequeñas partículas, distintas por su forma y dimensiones, eternas e indestructibles denominadas ANU". Hacia el siglo VI a.C el filosofo naturalista Tales de Mileto reconocía en el agua al único fundamento natural del mundo; concepción que no le permitió explicar la naturaleza y propiedades de los cuerpos. A finales del siglo V d.C, los filosofos Leucipo y Demócrito intentando conciliar el conflicto entre la transitoriedad y complejidad observadas en el mundo físico y sobre la concepción griega de que la verdad debe ser eterna e inmutable; sugirieron que la materia estaba compuesta de pequeñas partículas llamadas "átomos", sólidos, eternos e indivisibles y que las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los mismos. Esta teoría tuvo en su época limitada aceptación y a su vez fue desplazada por la teoría de Aristóteles (siglo IV a. C) que sostenía que la materia era continua y por lo tanto divisible indefinidamente; las formulaciones teóricas de Aristóteles predominaron sobre las de Demócrito.
La primera formulación de la moderna teoría atómica tuvo lugar a principios del siglo XIX, cuando Jhon Dalton retomando a Demócrito publico su obra titulada "Un Nuevo Sistema de Filosofía Química" en 1808. En esta obra Dalton señaló fundamentalmente:
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La materia esta compuesta de partículas discretas llamadas ÁTOMOS, que son susceptibles de división.
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Todos los átomos del mismo elemento son similares y los átomos de diferentes elementos son diferentes.
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Un compuesto químico es el resultado de la combinación de átomos de los correspondientes elementos en una proporción numérica simple.
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La separación y la unión de átomos se realiza en las reacciones químicas. En estas reacciones, ningún átomo se crea o se destruye y ningún átomo de un elemento se convierte en un átomo de otro.
Posterior a Dalton; la atomística moderna niega la existencia de una esencia última e invariable de la materia y parte del reconocimiento de la infinita peculiaridad cualitativa y cuantitativa de la misma.
La química estudia las propiedades de la materia o los materiales. Los materiales exhiben una amplia variedad de propiedades, dentro de las que podemos nombrar las diferentes texturas, colores, tamaños, reactividades, entre otras muchas que caracterizan y diferencian todo cuanto existe en el universo. Esta variedad de propiedades que podemos estudiar a través de nuestros sentidos, corresponde a las propiedades macroscópicas. La química busca entender y explicar estas propiedades a partir de la estructura y las propiedades microscópicas, es decir, a nivel de los átomos y las moléculas. La diversidad del comportamiento químico es el resultado de la existencia de unos cuantos cientos de átomos, organizados en elementos.
En cierto sentido, los átomos son como las 27 letras del alfabeto, que se unen en diferentes combinaciones para formar la infinita cantidad de palabras de nuestro idioma. Así entonces, toda la materia está formada por átomos. Estos son la unidad básica y estructural y están conformados por partículas más pequeñas que, gracias a su configuración y energía, se mantienen unidas logrando dar paso a estos agregados estables, que terminan siendo los componentes de todo.
Hoy sabemos que el átomo está constituido así, pero para llegar a este conocimiento, se necesitaron años de estudios e investigaciones, en los cuales se plantearon diferentes modelos atómicos.
Un modelo es la representación concreta de una teoría. Es útil porque facilita la comprensión de fenómenos abstractos. Los modelos atómicos han pasado por diferentes concepciones de acuerdo con el momento en el que han sido formulados. También han sido modificados y adaptados de acuerdo a los resultados de nuevas investigaciones y descubrimientos.
2.1.1 Antecedentes Históricos Importantes
La Naturaleza Eléctrica de la Materia
Desde tiempos remotos habían sido observados fenómenos eléctricos relacionados con la materia. Tales de Mileto observó que al frotar un trozo de ámbar, este podía atraer pequeñas partículas. Siglos después William Gilbert comprobó que por frotamiento muchas sustancias adquirían electricidad. Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX que estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833 y que le permitieron descubrir la relación entre electricidad y materia, Faraday demostró experimentalmente que muchos compuestos químicos se descomponen en sus elementos constitutivos por acción de la electricidad, así por ejemplo si se hace pasar corriente eléctrica a través de una solución de cloruro de sodio se observa que se forma sodio en uno de los electrodos mientras que en el otro se libera cloro.
El Descubrimiento del Electrón
El descubrimiento del electrón fue posible gracias a una serie de experimentos alrededor de un dispositivo llamado tubo de rayos catódicos (amplía aquí), que consiste en un tubo de vidrio provisto de dos electrodos, herméticamente soldados en los extremos de este y a través de los cuales se hace pasar una corriente eléctrica. En 1879, el físico inglés William Crookes, observó que, si se creaba vacío dentro del tubo, retirando el aire presente en su interior, aparecía un resplandor, originado en el electrodo negativo o cátodo y que se dirigía hacia el electrodo positivo o ánodo, por lo que Crookes concluyó que debía tratarse de haces cargados negativamente, que luego fueron bautizados como rayos catódicos. Posteriormente, J. Thomson estableció, en 1895, que dichos rayos eran en realidad partículas, mucho más pequeñas que el átomo de hidrógeno y con carga negativa, que recibieron el nombre de electrones.
En la actualidad se ha establecido que la carga de un electrón es - 1,602 x 10 culombios y que posee una masa de 9,11 x 10 g.
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La luminosidad de color verde que se percibe corresponde a los rayos catódicos o como se conocen en la actualidad electrones.
El Descubrimiento del Protón
Por la misma época, Eugen Goldstein (1850-1930), realizó algunas modificaciones al diseño inicial del tubo de rayos catódicos. El nuevo dispositivo tenía el cátodo perforado y el tubo, en lugar de vacío, contenía diferentes gases, Goldstein observó que detrás del cátodo se producía otro tipo de resplandor, proveniente del ánodo, por lo que dedujo que los nuevos rayos poseían carga positiva.
Posteriormente fueron bautizados como protones y se determinó que su carga era de igual magnitud que la de un electrón, es decir, +1,602 x 10 culombios, mientras que su masa tenía un valor cercano a 1,673 x 10 g. Estos descubrimientos contradecían la creencia de que el átomo era indivisible, por lo que fue necesario concebir un nuevo modelo atómico.
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La luminosidad de color rojo que se percibe corresponde a los rayos anódicos o rayos canal, o como se conocen en la actualidad protones.
El Descubrimiento del Neutrón
En 1932, el físico británico James Chadwick, descubrió el neutrón, partícula que explicaba por qué los protones permanecían juntos en el núcleo, gracias a la introducción del concepto de fuerza nuclear. Chadwick observó que al bombardear placas de berilio con partículas alfa, las placas emitían unas partículas, que a su vez se hacían chocar contra un bloque de parafina, ocasionando un desprendimiento de protones en este. Este hecho hacía pensar que la masa de esas partículas debía ser similar a la de los protones. Además, estas partículas no se desviaban por la presencia de campos eléctricos, luego debían ser neutras.
El Descubrimiento de la Radiactividad
La primera evidencia de este fenómeno data de 1896 y la debemos a las experiencias de Henri Becquerel (1852-1908). Este científico descubrió que los minerales de uranio (U) eran capaces de velar una placa fotográfica en ausencia de luz externa, por lo cual concluyó que poseían la propiedad de emitir radiaciones de forma espontánea.
Posteriormente, los esposos Fierre (1859-1906) y Marie Curie (1867-1934) retomaron las observaciones hechas por Becquerel, y comprobaron que todos los minerales de uranio tenían la capacidad de emitir radiaciones. Además aislaron otros dos elementos con idénticas propiedades: el polonio (Po) y el radio (Ra).
La radiactividad se define como la propiedad que poseen los átomos de algunos elementos de emitir radiaciones. Debido a que las radiaciones están constituidas
por partículas subatómicas, los elementos radiactivos se transforman en otros elementos, pues la constitución íntima de sus átomos cambia. Las radiaciones pueden ser de cuatro tipos distintos:
Los rayos alfa (α): son partículas formadas por dos protones y dos neutrones, por lo que poseen una carga positiva, igual a dos veces la carga de un protón. Debido a que la masa y el volumen de las partículas alfa son relativamente elevados, estas radiaciones viajan a una velocidad baja, y tienen un poder de penetración igualmente bajo.
Los rayos beta negativos (β -): se trata de haces de electrones, 7.000 veces mis pequeños que las partículas alfa y que viajan a una velocidad cercana a la de la luz, por lo que poseen un poder de penetración medio.
Los rayos beta positivos (β +): son haces de partículas similares a los electrones, pero con carga positiva, denominadas positrones.
Los rayos β+ tienen las mismas propiedades que las partículas β- , en cuanto a masa, velocidad y capacidad de penetración. Dado que son antagonistas de los electrones, cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan mutuamente, convirtiéndose en energía electromagnética.
Los rayos gamma (γ): estos rayos son radiaciones electromagnéticas, con un contenido energético muy superior al de la luz visible, por lo que no poseen masa y tienen una gran capacidad de penetración.