Química y Física Atómica: Del Electrón al Enlace Químico

Descubrimiento del electrón

En los laboratorios de física se realizaban experiencias con el fin de estudiar el paso de la corriente eléctrica en el vacío. El físico británico William Crookes diseñó un tubo de vidrio en el que consiguió un vacío casi perfecto. Colocó en su interior dos placas metálicas y las conectó a una diferencia de potencial elevada; en el interior apareció un haz luminoso, lo que interpretó como que la corriente eléctrica viajaba en el vacío.

El físico británico Joseph John Thomson estudió con detalle lo que sucedía en los tubos de rayos catódicos. Estudiando la desviación que experimentaban por la acción de campos eléctricos y magnéticos, se pudo medir la relación carga/masa de las partículas. Como consecuencia, Thomson estableció que: los átomos de todas las sustancias contienen una o más partículas de carga negativa: los electrones.

Modelo atómico de Thomson

Este modelo explicaba la electrización por frotamiento y la existencia de partículas cargadas positiva y negativamente. Un átomo puede perder o ganar electrones: si los gana, adquiere carga negativa, y si los pierde, positiva. Los cuerpos de distinto signo se atraen porque la materia tiende a recuperar su neutralidad; los cuerpos que tienden electricidad del mismo tipo se repelen.

Descubrimiento del protón

Una vez encontrado el electrón, los científicos trataron de localizar en el átomo una partícula similar. Trabajando nuevamente con los tubos de descarga se detectaron unos rayos que viajaban en sentido contrario. Al observarlos se perforó la placa y se observó que el haz de luz atravesaba sus orificios: era un haz de rayos, a los que se les dominó rayos canales. Estudiando la desviación que experimentaban se pudo medir la relación g/m de las partículas. Se encontró que la partícula que formaba los rayos canales era distinta según el gas que hubiera en el interior del tubo.

Los científicos de la época tardaron en aceptar que esta partícula fuese la unidad de carga positiva. Finalmente Ernest Rutherford la consideró una partícula elemental presente en todos los átomos y sugirió que se llamara protón.

Modelo atómico de Rutherford

Para poder explicar la experiencia de la lámina de oro, pensó que el átomo debía tener su carga positiva concentrada en una parte muy pequeña. Solo así se explica que las partículas alfa que chocan contra esa parte salgan rebotadas. En consecuencia, tuvo que idear un nuevo modelo atómico en el que el átomo está formado por un núcleo muy pequeño. En el núcleo está concentrada casi toda su carga positiva y casi toda su masa. Alrededor del núcleo están los electrones girando.

La masa de los átomos: el neutrón

Si los átomos estuviesen formados solo por protones y electrones, su masa debería coincidir con la masa de los protones, ya que los electrones tienen una masa despreciable. Rutherford predijo que en los átomos debía existir una partícula de masa similar al protón sin carga eléctrica. Esta partícula, a la que se denominó neutrón, debería encontrarse en el núcleo, que es donde se aloja la mayor parte de la masa del átomo.

Espectros y modelo atómico de Bohr

Espectro de una radiación

El espectro de una radiación es el conjunto de las radiaciones simples que la forman. Para obtener el espectro hay que hacer pasar la radiación que queremos analizar a través de un prisma de vidrio o cuarzo. El resultado es que las radiaciones simples ya no están superpuestas y se pueden recoger separadas sobre una pantalla o sobre una película fotográfica.

Espectro de emisión

Cuando se calienta un material hasta una temperatura alta, emite radiación. Si se recoge la radiación que emiten los átomos de un elemento químico y se analiza, se puede comprobar que su espectro lo forman sus radiaciones concretas, características del elemento.

Espectro de absorción

Se hace incidir sobre ellos radiación de diferentes energías y se comprueba cuáles absorben. Esas energías corresponden a rayas negras sobre el fondo de color.

Modelo atómico de Bohr

El físico danés Niels Bohr estableció un modelo atómico que explicaba los espectros atómicos y la cuantización de la energía:

• Los átomos están formados por un núcleo, donde se encuentran los protones, y los electrones girando describiendo ciertas órbitas circulares y estables. Cuando un electrón gira en una de estas órbitas no emite energía.
• No todas las órbitas están permitidas.
• En cada órbita, el electrón tiene una energía determinada.

Se llama configuración electrónica de un átomo al modo en que están distribuidos los electrones alrededor de un núcleo. Se rige por tres principios:

1. Principio de mínima energía: los electrones se colocan en el orbital de menor energía que esté disponible.
2. Principio de exclusión de Pauli: en un átomo no puede haber dos electrones que tengan los cuatro números cuánticos iguales.
3. Principio de la máxima multiplicidad de Hund: cuando por los principios anteriores se puedan dar varias configuraciones, la más favorable es la que permite mayor número de electrones con el mismo spin (desapareados).

Estado fundamental: cuando un átomo tiene todos sus electrones en el orbital de menor energía posible.

Estado excitado: cuando se comunica energía a un átomo, algunos de sus electrones pueden pasar a un nivel de energía superior. Tanto si el átomo está en estado fundamental como excitado, se debe cumplir el principio de exclusión. Si una configuración electrónica no lo cumple, estará prohibida.

Enlace químico

La forma en que los elementos alcanzan la configuración de un gas noble da lugar a tres tipos de enlaces químicos entre los átomos: iónico, covalente y metálico. Se denomina enlace químico al conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos cuando forman moléculas o cristales, así como a la fuerza que mantiene unidas a las moléculas cuando se presentan en estado líquido o sólido. La naturaleza del enlace químico es de tipo eléctrico; los átomos se enlazan entre sí para alcanzar 8 electrones en su nivel de valencia, lo que se conoce como regla del octeto.

• Enlace iónico: unos átomos ceden electrones a otros y se convierten en iones.
• Enlace covalente: unos pocos átomos comparten electrones.
• Enlace metálico: todos los átomos del metal comparten los electrones del nivel de valencia de todos los átomos.

2. Enlace iónico

El enlace iónico se forma cuando se combinan átomos que alcanzan la configuración de gas noble perdiendo electrones y átomos que alcanzan la configuración de gas noble ganando electrones.

Propiedades: son sólidos a temperatura ambiente, son duros y frágiles, no conducen la electricidad en estado sólido, sino si están fundidos o en disolución, y son solubles en agua.

3. Enlace covalente

Se forma un enlace covalente cuando se combinan entre sí átomos que tienen tendencia a alcanzar la configuración de gas noble ganando electrones. En este caso, el único modo de que lo consigan los dos átomos que se enlazan es compartiendo los electrones de su nivel de valencia.

• Enlace covalente apolar: cuando los átomos que se enlazan son iguales y tienen la misma electronegatividad.
• Enlace covalente polar: si uno de los átomos es más electronegativo que el otro.

Sustancias que resultan de los enlaces covalentes: sustancias formadas por moléculas o por átomos.

Propiedades:

• Son sólidas a temperatura ambiente y tienen un elevado punto de ebullición; son duras y frágiles.
• Salvo excepciones, son malos conductores de la corriente eléctrica.
• En general tienen puntos de fusión y ebullición bajos.
• Son blandas y resistentes a los golpes, y no conducen la corriente eléctrica.
• Son solubles en sustancias que tengan similares fuerzas intermoleculares.

4. Enlace metálico

Se forma un enlace metálico cuando se combinan entre sí átomos que tienen tendencia a alcanzar la configuración de gas noble perdiendo electrones.

Propiedades:

• A temperatura ambiente son sólidas.
• Su punto de fusión es alto.
• Son buenas conductoras del calor y de la electricidad.
• Son dúctiles y maleables.
• Se pueden rayar y deformar por golpes.

5. Enlaces en los que participan moléculas

Enlace dipolo-dipolo: se establece entre moléculas polares.

Enlace de hidrógeno: se da en moléculas que tienen átomos de hidrógeno unidos a átomos muy electronegativos y de pequeño tamaño.

Enlace dipolo instantáneo-dipolo inducido: en las moléculas muy grandes puede ocurrir que los electrones coincidan en un momento dado en un extremo, lo que originará un dipolo instantáneo.

Reacción química

1. La reacción química

Es un cambio que experimenta la materia. En la reacción una o más sustancias se transforman en otras distintas. Las sustancias originales se llaman reactivos y las que se obtienen son los productos.

2. ¿Cómo se produce una reacción química?

Para que el choque sea eficaz debe tener:

• La energía suficiente.
• La orientación adecuada.

La energía de las reacciones químicas: cuando la energía que se necesita para romper los enlaces entre los átomos de los reactivos es menor que la que se desprende al formarse los enlaces en los productos, en el proceso global se desprende energía. Estas reacciones se llaman exotérmicas. Cuando se necesita más energía para romper los enlaces que la que se genera al obtener los productos, el proceso global requiere el aporte de energía. Estas reacciones se denominan endotérmicas.

La velocidad de las reacciones químicas: llamamos velocidad de una reacción a la rapidez con que los reactivos se transforman en productos.

• Un aumento de temperatura hace que aumente la velocidad de una reacción.
• Un aumento en la concentración de los reactivos hace que aumente la velocidad de una reacción.
• Cuanto menor sea el tamaño de las partículas de los reactivos, mayor es la velocidad de la reacción.
• Los catalizadores son sustancias que alteran la velocidad de la reacción porque modifican el nivel energético del estado de transición y, con ello, la energía de activación.

3. Cálculos estequiométricos en las reacciones químicas

Ajustar una ecuación química consiste en encontrar los coeficientes estequiométricos de cada una de las sustancias que intervienen en la reacción, para que se cumpla que el número de átomos de cada elemento en los reactivos sea el mismo que en los productos.