3.1: Elementos, átomos y teoría atómica

La química es la ciencia de la materia. Los bloques de construcción fundamentales de la materia son los átomos de los diversos elementos, los cuales están compuestos por partículas subatómicas, el protón cargado positivamente (+), el electrón cargado negativamente (-) y el neutrón eléctricamente neutro (n). Son las propiedades de estos átomos las que determinan el comportamiento químico de la materia. Más específicamente, es la disposición y los niveles de energía de los electrones en los átomos los que dirigen la forma en que interactúan entre sí, dictando así todo el comportamiento químico. Uno de los aspectos más fundamentales de la química es que el comportamiento elemental varía periódicamente con el aumento del número atómico. Esto ha permitido la colocación de los elementos en una disposición ordenada con un número atómico creciente conocido como la tabla periódica. El comportamiento periódico de las propiedades químicas de los elementos se debe a que, a medida que aumenta el número atómico, los electrones se agregan incrementalmente a los átomos y ocupan las llamadas conchas, cada una llena con un número específico de electrones. Después de llenar cada shell, se inicia un nuevo shell, iniciando así un nuevo periodo (fila) de la tabla periódica. Esto suena complicado, y de hecho puede ser así, ocupando las actividades computacionales de tiempo completo de bancos de computadoras para explicar el comportamiento de los electrones en la materia. Sin embargo, este comportamiento se puede ver en modelos simplificados y es más fácil de entender para los primeros 20 elementos utilizando puntos para representar electrones, permitiendo la construcción de una tabla periódica abreviada de 20 elementos. Aunque simple, esta tabla ayuda a comprender y explicar la mayoría de los fenómenos químicos discutidos en este libro.

El capítulo también enfatiza algunos de los aspectos verdes de los primeros 20 elementos y cómo se relacionan con la sustentabilidad. Entre estos elementos se encuentran el nitrógeno, el oxígeno, el carbono (contenido en el dióxido de carbono), y el hidrógeno y el oxígeno (en el vapor de agua) que componen la mayor parte del aire en la atmósfera “verde”; el hidrógeno y el oxígeno en el agua, posiblemente el compuesto más verde de todos; el sodio y el cloro en la sal común de mesa; el silicio, calcio y oxígeno que componen la mayor parte de la materia mineral, incluyendo el suelo que cultiva las plantas suministrando alimento a la mayoría de los organismos; y el hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre que son los elementos predominantes en todo el material vivo.

Mucho antes de que se conocieran las partículas subatómicas, existía la teoría atómica de Dalton

La teoría atómica describe los átomos en relación con el comportamiento químico. Con las sofisticadas herramientas ahora disponibles para los químicos, la naturaleza de los átomos, basada en gran parte en las partículas subatómicas de las que están compuestos, especialmente los electrones cargados negativamente, es bien conocida. Pero mucho antes de que estas sofisticadas herramientas fueran siquiera soñadas, hace más de dos siglos en 1808, a un profesor de inglés llamado John Dalton se le ocurrió la teoría atómica que lleva su nombre. En gran medida, esta teoría es la base conceptual de la química moderna. Los aspectos clave de la teoría atómica de Dalton son los siguientes:

• La materia en cada elemento está compuesta por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. (Dalton consideraba los átomos como cuerpos indivisibles e inmutables. Ahora sabemos que intercambian y comparten electrones, que es la base del enlace químico).
• Los átomos de diferentes elementos tienen diferentes propiedades químicas. (Estas diferencias pueden variar desde muy leves, como las que existen entre los gases nobles neón y argón, hasta muy diferentes, como las que existen entre el sodio altamente metálico y el cloro fuertemente no metálico).
• Los átomos no pueden ser creados, destruidos o cambiados a átomos de otros elementos. (En los tiempos modernos, se agrega la disposición de que estas cosas no suceden en los procesos químicos ordinarios, ya que los átomos pueden ser cambiados por átomos de otros elementos por reacciones nucleares, como las que ocurren en los reactores nucleares).
• Los compuestos químicos están formados por la combinación de átomos de diferentes elementos en proporciones definidas y constantes que generalmente se pueden expresar como números enteros o fracciones simples.
• Las reacciones químicas implican la separación y combinación de átomos. (Este fenómeno se supuso antes de que se supiera algo sobre la naturaleza de los enlaces químicos que se rompen y se forman como parte del proceso de reacciones químicas).

Tres Leyes Importantes

La teoría atómica de Dalton explica las tres leyes importantes que se enumeran a continuación. La evidencia de estas leyes se había encontrado antes de la publicación de la teoría atómica de Dalton, y la teoría atómica se basa en gran medida en ellas.

1. Ley de Conservación de la Masa: No hay ningún cambio detectable en la masa en una reacción química ordinaria. (Esta ley, que fue declarada por primera vez en 1798 por “el padre de la química”, el francés Antoine Lavoisier, se desprende del hecho de que en las reacciones químicas ordinarias no se pierden, ganan o cambian átomos; en las reacciones químicas se conserva la masa).
2. Ley de Composición Constante: Un compuesto químico específico siempre contiene los mismos elementos en las mismas proporciones en masa.
3. Ley de Proporciones Múltiples: Cuando dos elementos se combinan para formar dos o más compuestos, las masas de uno que se combina con una masa fija del otro están en proporciones de números enteros pequeños. Una ilustración común de esta ley es proporcionada por los compuestos de hidrocarburos simples de carbono e hidrógeno, que incluyen\(\ce{CH4}\),\(\ce{C2H2}\),\(\ce{C2H4}\), y\(\ce{C2H6}\). En estos compuestos las masas relativas de\(\ce{C}\) y\(\ce{H}\) están en proporciones de números enteros pequeños.

La naturaleza de los átomos

En este punto es útil señalar varias características de los átomos, las cuales fueron introducidas en la Sección 2.11. Los átomos son extremadamente pequeños y extremadamente ligeros. Sus masas individuales se expresan por la minúscula unidad de masa atómica, u. Los tamaños de los átomos se expresan comúnmente en picometros, donde un picómetro es 0.000 000 001 milímetros (un milímetro es la división más pequeña en el lado métrico de una regla). Los átomos pueden ser considerados como esferas con diámetros entre 100 y 300 picometros.

Como se señaló al inicio de este capítulo, los átomos están compuestos por tres partículas subatómicas básicas, el protón cargado positivamente, el neutrón eléctricamente neutro y el electrón cargado negativamente mucho más ligero. Cada protón y neutrón tiene una masa de esencialmente 1 unidad de masa atómica, mientras que la masa del electrón es solo alrededor de 1/2000 tanto Los protones y neutrones se localizan en el núcleo en el centro del átomo y los electrones componen una “nube borrosa” de carga negativa alrededor del núcleo. Esencialmente toda la masa de un átomo está en el núcleo y prácticamente todo el volumen está en la nube de electrones. Cada átomo de un elemento específico tiene el mismo número de protones en su núcleo. Este es el número atómico del elemento. Cada elemento tiene un nombre y está representado por un símbolo químico que consta de una o dos letras. Los átomos del mismo elemento que tienen diferentes números de neutrones y, por lo tanto, diferentes masas, se denominan isótopos. Los isótopos pueden estar representados por símbolos como\(\ce{^{12}_6C}\) donde el subíndice es el número atómico y el superíndice es el número de masa, que es la suma de los números de protones y neutrones en un átomo.

La masa promedio de todos los átomos de un elemento es la masa atómica. Las masas atómicas se expresan en relación con\(\ce{^{12}_6C}\) el carbono del isótopo, que contiene 6 protones y 6 neutrones en su núcleo. La masa de este isótopo se toma exactamente como 12 u. Las masas atómicas normalmente no son números enteros, en parte porque los átomos de la mayoría de los elementos consisten en dos o más isótopos con diferentes masas.

Electrones en Átomos

El comportamiento de los electrones en la nube de carga negativa que constituyen la mayor parte del volumen de los átomos, particularmente sus niveles de energía y orientaciones en el espacio, son los que determinan el comportamiento químico. Las disposiciones de los electrones se describen por configuración electrónica. Una descripción detallada de la configuración electrónica es altamente matemática y sofisticada, pero se representa de manera muy simplificada en este capítulo. Debido a sus cargas opuestas, los electrones son fuertemente atraídos por núcleos cargados positivamente, pero no llegan a descansar sobre él.

La colocación de electrones en átomos determina la configuración de la tabla periódica, una versión completa de la cual se imprime al final de este capítulo. Los elementos se enumeran a través de esta tabla en periodos tales que los elementos ubicados en los mismos grupos verticales tienen generalmente un comportamiento químico similar. La derivación de la tabla periódica completa que muestra más de 100 elementos es demasiado complicada para este libro. Entonces, en lo que resta de este capítulo, los primeros 20 elementos serán discutidos en orden y la colocación de electrones en los átomos de estos elementos ilustrará cómo estos elementos pueden colocarse en la tabla periódica. A partir de esta información se construirá una breve tabla periódica de 20 elementos que debería ser muy útil para explicar el comportamiento químico.