Estructura Atómica y Enlaces Químicos: Conceptos Clave y Propiedades Fundamentales

Evolución de los Modelos Atómicos: De Dalton a la Actualidad

Modelo Atómico de Dalton

A principios del siglo XIX, John Dalton propuso una teoría atómica con los siguientes postulados fundamentales:

• La materia está formada por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
• Los átomos de un mismo elemento químico son idénticos entre sí, poseen la misma masa y propiedades características. Los átomos de elementos diferentes tienen masas y propiedades distintas.
• Los compuestos se forman por la unión de átomos de diferentes elementos en proporciones numéricas enteras y sencillas (Ley de las proporciones múltiples).

Modelo Atómico de Thomson

En 1897, J.J. Thomson, tras descubrir el electrón, propuso un modelo en el que el átomo consistía en una esfera de materia con carga positiva uniforme, en la cual se encontraban incrustados los electrones (con carga negativa) en número suficiente para que el conjunto fuera eléctricamente neutro. Este modelo es popularmente conocido como el "modelo del pudin de pasas".

Modelo Atómico de Rutherford

Basándose en los resultados del experimento de la lámina de oro (1911), Ernest Rutherford propuso un modelo nuclear para el átomo:

• El átomo posee un núcleo central muy pequeño, denso y con carga positiva, donde se concentra casi toda la masa del átomo.
• Los electrones, con carga negativa, giran a gran velocidad alrededor del núcleo en una región extensa llamada corteza electrónica, de manera similar a los planetas alrededor del Sol.
• La mayor parte del átomo es espacio vacío, y el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro.

Modelo Atómico Actual (Mecano-Cuántico)

El modelo actual, desarrollado a lo largo del siglo XX gracias a las contribuciones de científicos como Bohr, Schrödinger, Heisenberg y otros, describe al átomo de forma más compleja y precisa:

• El átomo consta de un núcleo central, que contiene protones (partículas con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica), unidos por intensas fuerzas nucleares. El núcleo concentra la práctica totalidad de la masa atómica.
• Alrededor del núcleo se encuentra la corteza electrónica, donde los electrones (partículas con carga negativa) se mueven en regiones del espacio denominadas orbitales atómicos. El número de electrones es igual al de protones en un átomo neutro.
• Los electrones se distribuyen en diferentes niveles y subniveles de energía. Cada nivel energético tiene una energía específica, que aumenta con la distancia al núcleo. Los electrones pueden transitar entre estos niveles absorbiendo o emitiendo cantidades discretas de energía (cuantos o fotones).
• El comportamiento de los electrones no puede describirse mediante trayectorias definidas, sino en términos de probabilidad de encontrarlos en una determinada región del espacio (orbital).

Enlaces Químicos y Propiedades de los Compuestos

Los átomos tienden a unirse entre sí para alcanzar configuraciones electrónicas más estables, formando así los enlaces químicos.

Enlace Iónico

Este tipo de enlace se forma por la atracción electrostática entre iones de carga opuesta (cationes y aniones), generalmente formados por la transferencia de electrones de un átomo metálico a uno no metálico. Los compuestos iónicos presentan típicamente las siguientes propiedades:

• Son sólidos cristalinos a temperatura ambiente, con una estructura ordenada en redes tridimensionales que les confiere una forma geométrica definida.
• Son duros pero frágiles (presentan exfoliación). Cualquier deformación significativa en la red iónica puede enfrentar iones de la misma carga, generando repulsión y fracturando el cristal.
• Poseen elevados puntos de fusión y ebullición, debido a la fuerte atracción electrostática entre los iones, que requiere una gran cantidad de energía para ser vencida.
• Generalmente son solubles en disolventes polares, como el agua. Las moléculas del disolvente polar interactúan con los iones (solvatación), debilitando las fuerzas de la red y permitiendo que los iones se dispersen en la disolución.
• No conducen la electricidad en estado sólido, ya que los iones ocupan posiciones fijas en la red. Sin embargo, son conductores eléctricos cuando están fundidos o disueltos en agua, debido a la movilidad de los iones.

Enlace Covalente

El enlace covalente se produce cuando dos átomos (generalmente no metálicos) comparten uno o más pares de electrones para alcanzar una configuración electrónica más estable. Las sustancias covalentes pueden ser moleculares o formar redes covalentes.

Propiedades de las Sustancias Moleculares Covalentes:

• Pueden presentarse en los tres estados de agregación (sólido, líquido o gas) a temperatura ambiente. Muchas son líquidos o gases (ej. H₂O, CO₂, O₂, CH₄).
• Los sólidos moleculares suelen ser blandos y tener bajos puntos de fusión y ebullición. Esto se debe a que, aunque los enlaces covalentes dentro de las moléculas (intramoleculares) son fuertes, las fuerzas entre las moléculas (intermoleculares, como las de Van der Waals o los puentes de hidrógeno) son relativamente débiles.
• La solubilidad es variable, rigiéndose por el principio de "lo semejante disuelve a lo semejante". Las moléculas apolares son solubles en disolventes apolares (ej. aceites en hexano) e insolubles en agua. Las moléculas polares pueden ser solubles en disolventes polares como el agua, especialmente si forman puentes de hidrógeno (ej. etanol en agua). Muchos compuestos orgánicos son solubles en disolventes orgánicos como la acetona.
• Generalmente, no conducen la electricidad ni en estado sólido ni fundidas, ya que no poseen portadores de carga móviles (electrones libres o iones).

Nota: Existen también los sólidos de red covalente (ej. diamante, cuarzo, grafito), donde los átomos están unidos por una extensa red de enlaces covalentes. Estos materiales son excepciones a las propiedades anteriores, siendo típicamente muy duros, con puntos de fusión extremadamente altos y, en general, insolubles. El grafito es una excepción notable, ya que conduce la electricidad.