4.1: Preludio a la estructura atómica

Hemos examinado las implicaciones teóricas y aplicaciones prácticas de las ideas de John Dalton sobre los átomos en nuestra discusión sobre átomos, moléculas y reacciones químicas, y utilizando ecuaciones químicas en los cálculos. Claramente, la teoría atómica es una poderosa herramienta que ayuda a pensar qué cantidad de una sustancia puede combinarse con (o ser producida a partir de) una cantidad dada de otra. La teoría es mucho menos útil, sin embargo, cuando tratamos de especular sobre lo que mantiene unidos a los átomos en moléculas como Br ₂, HGbR ₂ y Hg ₂ Br ₂. Como se ha visto, hay técnicas disponibles para la determinación experimental de la fórmula de un nuevo compuesto, pero la teoría de Dalton es de poco valor en la predicción de fórmulas. Tampoco nos dice qué elementos es probable que se combinen con cuáles, ni indica qué propiedades químicas y físicas se esperan de los compuestos que se forman.

La capacidad de hacer predicciones sobre la reactividad química y las propiedades es muy importante porque guía los esfuerzos de los químicos para sintetizar nuevas sustancias que son de valor para la sociedad en general. Medicamentos, metales, transistores, plásticos, textiles, fertilizantes y muchas otras cosas que hoy damos por sentado han sido posibles gracias al conocimiento detallado de las propiedades químicas y físicas. Dicho conocimiento también permite una mayor comprensión de cómo funciona el mundo natural y qué cambios (favorables o perjudiciales) pueden producir las actividades humanas.

El conocimiento de la reactividad química y las propiedades pueden abordarse tanto a nivel macroscópico como microscópico. Macroscópicamente esto involucra lo que se llama química descriptiva. La persona que primero realiza una reacción química describe lo ocurrido, generalmente en términos de una ecuación equilibrada, y enumera las propiedades de cualquier sustancia nueva. Esto permite a otros científicos repetir el experimento si así lo desean. Aun cuando el trabajo no se vuelva a realizar, el reporte descriptivo permite predecir lo que sucedería si se repitiera.

El enfoque microscópico utiliza la teoría para predecir qué sustancias reaccionarán con cuál. Durante el siglo pasado la teoría atómica de Dalton ha sido modificada para que pueda ayudarnos a recordar las propiedades de los elementos y compuestos. Ahora atribuimos estructura a cada tipo de átomo y esperamos que los átomos que tienen estructuras similares experimenten reacciones similares. Dicho trabajo ha llevado a la clasificación de grupos de elementos, por ejemplo los metales alcalinos, halógenos, metales alcalinotérreos y muchos más. La complicación adicional de aprender sobre la estructura atómica es compensada muchas veces por la mayor capacidad de nuestro modelo microscópico para predecir propiedades macroscópicas.

En las siguientes secciones, verá que varios tipos de experimentos muy diferentes contribuyeron a la extensión de la teoría atómica de Dalton para incluir partículas subatómicas y estructura atómica. La variación periódica de valencia y la exitosa correlación de propiedades macroscópicas de la tabla periódica indican que los átomos deben tener ciertas formas específicas de conectarse a otros átomos. Es razonable suponer que la valencia depende de alguna estructura atómica subyacente. Los átomos que son similares en estructura deben exhibir la misma valencia y tener propiedades químicas y físicas similares. Si bien la periodicidad se basó inicialmente en el peso atómico, las excepciones a la ley periódica basada en el peso implicaban alguna otra propiedad condujo a la periodicidad.

La propiedad en la que se basa la periodicidad es la estructura electrónica de los átomos. Nuestro modelo de estructura electrónica es tanto científica como filosóficamente interesante, porque se basa en un modelo de onda para electrones. Para conocer más sobre nuestra estructura electrónica actual para átomos y los descubrimientos que llevaron a esta comprensión, vea el video a continuación.

El descubrimiento de la radiactividad y la transmutación implicaba que un tipo de átomo podría transformarse en otro. Esto puede explicar si los átomos tienen estructura. Un cambio en esa estructura puede producir un nuevo tipo de átomo. Los experimentos con tubos de rayos catódicos indicaron que los electrones, que son muy ligeros y llevan una carga negativa, están presentes en todos los átomos. La interpretación de Rutherford del experimento de Geiger-Marsden sugirió que los electrones ocupan la mayor parte del volumen del átomo mientras que la mayor parte de la masa se concentra en un pequeño núcleo cargado positivamente. Los espectros de rayos X de Moseley y la existencia de isótopos dejaron bastante claro que el énfasis de Dalton en la importancia del peso atómico tendría que caer. El comportamiento químico de un átomo está determinado por cuántos protones hay en el núcleo. Cambiar el número de neutrones cambia la masa atómica pero tiene muy poco efecto sobre la química. La identidad de un elemento depende de su número atómico, no de su peso atómico. Si la ley periódica se reafirma como “Cuando los elementos se listan en orden de aumento del número atómico, sus propiedades varían periódicamente”, no hay excepciones.