Los Modelos Atómicos

Modelo Atómico de Dalton

 

En 1808 Dalton formuló la teoría atómica, teoría que rompía con todas las ideas tradicionales derivada de los antiguos filósofos griegos (Demócrito, Leucipo).
Este Introduce la idea de la discontinuidad de la materia, es decir, es la primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos. Los postulados básicos de esta teoría son:

• La materia está dividida en unas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.
• Los átomos son partículas muy pequeñas y no se pueden ver a simple vista.
• Todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, igual masa e iguales propiedades.
• Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades.
• Los compuestos se forman cuando los átomos se unen entre sí, en una relación constante y sencilla.
• En las reacciones químicas los átomos se separan o se unen; pero ningún átomo se crea ni se destruye, y ningún átomo de un elemento se convierte en átomo de otro elemento.
• Esta concepción se mantuvo casi durante un siglo

Modelo Atómico de Thomson

Posteriormente, en el año 1897 se descubre el electrón, una de las partículas subatómicas que conforma el átomo. En 1898 Thomson propuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia de dicha partícula subatómica. Su modelo era estático, ya que suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo, y que el conjunto era eléctricamente neutro.
El modelo de Thomson era parecido a un pastel de frutas: los electrones estaban incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga negativa total de los electrones era la misma que la carga total positiva de la esfera, por lo que dedujo que el átomo era neutro.

Thomson también explicó la formación de iones, tanto positivos como negativos.
Cuando el átomo pierde algún electrón, la estructura queda positiva y se forman iones positivos; pero si el átomo gana algún electrón, la estructura queda negativa y se forman iones negativos.

Modelo Atómico de Rutherford

Tras el descubrimiento del Protón, Rutherford formuló su modelo atómico.
En 1911, Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de la materia. A partir de ese experimento dedujo que:

• La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin desviarse (99,9%).
• Algunas partículas se desvían (0,1%).

Al ver que no se cumplía el modelo propuesto por Thomson, Rutherford formuló el modelo nuclear del átomo. Según este modelo, el átomo está formado por un núcleo y una corteza:

• Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva.
• Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares (sistema solar en miniatura)

Así mismo, también dijo que la materia es neutra, ya que la carga positiva del núcleo y la negativa de la corteza se neutralizan entre sí.

Rutherford dedujo que:

• La materia está casi vacía; el núcleo es 100.000 veces más pequeño que el radio del átomo.
• La mayoría de las partículas alfa no se desvían porque pasan por la corteza, y no por el núcleo.
• Las que pasan cerca del núcleo se desvían porque son repelidas.
• Cuando el átomo suelta electrones, el átomo se queda con carga negativa, convirtiéndose en un ión negativo; pero si, por el contrario, el átomo gana electrones, la estructura será positiva y el átomo se convertirá en un ión negativo.
• El átomo es estable.

Modelo Atómico de Böhr

Tras el descubrimiento del neutrón, en 1913 Böhr intentó mejorar el modelo atómico de Rutherford aplicando las ideas cuánticas de Planck a su modelo. Para realizar su modelo atómico se valió del átomo de hidrógeno; describió el átomo de hidrógeno con un protón como núcleo y con un electrón girando a su alrededor.Las nuevas ideas sobre la cuantización de la energía son las siguientes:

• El átomo está cuantizado, ya que solo puede poseer unas pocas y determinadas energías.
• El electrón gira en unas órbitas circulares alrededor del núcleo, y cada órbita es un estado estacionario que va asociado a un numero natural, "n" (núm. cuántico principal), y toma valores del 1 al 7.
• Así mismo, cada nivel "n" está formado por distintos subniveles, "l". Y a su vez, éstos se desdoblan en otros (efecto Zeeman), "m". Y por último, hay un cuarto núm. cuántico que se refiere al sentido, "s".
• Los niveles de energía permitidos son múltiplos de la constante de planck.
• Cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro, se absorbe o se emite energía. Cuando el electrón está en n=1 se dice que está en el nivel fundamental (nivel de mínima energía); al cambiar de nivel el electrón absorbe energía y pasa a llamarse electrón excitado.
• Böhr situó a los electrones en lugares exactos del espacio.
• Es el modelo planetario de Böhr.

Modelo Mecano - Cuántico

Es el modelo actual; fue expuesto en 1925 por Heisenberg y Schrödinger.

Aspectos característicos:

Dualidad onda-partícula: Broglie propuso que las partículas materiales tienen propiedades ondulatorias, y que toda partícula en movimiento lleva una onda asociada.
Principio de indeterminación: Heisenberg dijo que era imposible situar a un electrón en un punto exacto del espacio.
Las ecuaciones del modelo mecano-cuántico describen el comportamiento de los electrones dentro del átomo, y recogen su carácter ondulatorio y la imposibilidad de predecir sus trayectorias exactas.
Así establecieron el concepto de orbital, región del espacio del átomo donde la probabilidad de encontrar un electrón es muy grande.

Características de los orbitales:

• La energía está cuantizada.
• Lo que marca la diferencia con el modelo de Böhr es que este modelo no determina la posición exacta del electrón, sino la mayor o menor probabilidad.
• Dentro del átomo, el electrón se interpreta como una nube de carga negativa, y dentro de esta nube, en el lugar en el que la densidad sea mayor, la probabilidad de encontrar un electrón también será mayor.
• El comportamiento de los electrones dentro del átomo se describe a través de los números cuánticos
• Los números cuánticos se encargan del comportamiento de los electrones, y la configuración electrónica de su distribución.
• Y por último, dada la cantidad de elementos, se necesitaba una clasificación. Hoy en día se utiliza la Tabla Periódica, aunque le precedieron muchos otras propuestas. En la Tabla Periódica los elementos se clasifican según el número atómico.

Los Modelos Atómicos

Video: Modelos Atómicos en el Tiempo

La Tabla Periódica

Más de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los químicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos. El reconocimiento de las regularidades periódicas en las propiedades físicas y en el comportamiento químico, así como la necesidad de organizar la gran cantidad de información disponible sobre la estructura y propiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla periódica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades químicas y físicas semejantes.

En la tabla periódica moderna, los elementos están acomodados de acuerdo con su número atómico (que aparece sobre el símbolo del elemento), enfilas horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades químicas.

Los elementos se dividen en tres categorías: metales, no metales y metaloides. Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad; mientras que un no metal generalmente es mal conductor del calor y la electricidad. Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales. En la Tabla periódica se aprecia que la mayoría de los elementos que se conocen son metales; solamente 17 elementos son no metales y 8 son metaloides. A lo largo de cualquier periodo, las propiedades físicas y químicas de los elementos cambian en forma gradual de metálicas a no metálicas, de izquierda a derecha.

Los no metales se localizan en la parte derecha de la tabla. Las dos filas de metales que se localizan abajo del cuerpo principal de la tabla periódica están separadas de manera convencional, para que la tabla no sea demasiado grande. En realidad, el cerio (Ce) debería continuar después del lantano (La), y el torio (Th) debería aparecer a la derecha del actinio (Ac). La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha recomendado la designación de los grupos del 7 al 18, aunque todavía no es de uso frecuente.

En general, se hace referencia a los elementos en forma colectiva, mediante su número de grupo en la tabla periódica (grupo 1A, grupo 2A, y así sucesivamente). Sin embargo, por conveniencia, algunos grupos de elementos tienen nombres especiales. los elementos del grupo 1A (Li, Na, K, Rb, Cs y Fr) se llaman metales alcalinos, y los elementos del grupo 2A (Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra) reciben el nombre de metales alcalinotérreos. Los elementos del grupo 7A (F, Ci Br, I y At) se conocen como halógenos, y los elementos del grupo 8A (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) son los gases nobles o gases raros.

La tabla periódica es una herramienta útil que correlaciona las propiedades de los elementos de una forma sistemática y ayuda a hacer predicciones con respecto al comportamiento químico.

Video: La Tabla Periódica y sus Principales Características

Isóbaros

Son aquellos átomos que presentan igual numero másico (A), pero distinto numero atómico (Z),

Ejemplo:

Son átomos distintos, pero tienen igual A y diferente Z.

Isótonos

Átomos que presentan distinto numero másico, distinto numero atómico, pero tienen igual numero de neutrones.

Ejemplo:

Tienen en común el mismo numero de neutrones que es 6.

Isótopos

No todos los átomos de un elemento determinado tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tiene dos o más Isótopos, átomos que tienen el mismo número atómico (Z) pero diferente número másico o de masa (A).

Por ejemplo, existen tres isótopos de hidrógeno. Uno de ellos, que se conoce como hidrógeno, tiene un protón y no tiene neutrones. El isótopo llamado deuterio contiene un protón y un neutrón, y el tritio tiene un protón y dos neutrones. La forma aceptada para denotar el número atómico y el número de masa de un elemento (X) es como sigue:

Así, para los isótopos de hidrógeno se escribe

Las propiedades químicas de un elemento están determinadas, principalmente, por los protones y electrones de sus átomos; los neutrones no participan en los cambios químicos en condiciones normales. En consecuencia, los isótopos del mismo elemento tienen un comportamiento químico semejante, forman el mismo tipo de compuestos y presentan reactividades semejantes.

Video: Química 3 ESO Isotopos

Numero Másico o Numero de Masa (A)

El número másico o numero de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. Con excepción de la forma más común del hidrógeno, que tiene un protón y no tiene neutrones, todos los núcleos atómicos contienen tanto protones como neutrones. En general, el número de masa está dado por

Numero Másico = Numero de Protones + Numero de Neutrones

                               = Numero Atómico (Z) + Numero de Neutrones

El número de neutrones en un átomo es igual a la diferencia entre el número de masa y el número atómico (A - Z.).

Por ejemplo, el número de masa del flúor es 19 y su número atómico es 9 (lo que indica que tiene 9 protones en el núcleo). Así. el número de neutrones en un átomo de flúor es 19 - 9 = 10. Observe que el número atómico, el número de neutrones y el número de masa deben ser enteros positivos.

Numero Atomico (Z)

El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo. La identidad química de un átomo queda determinada por su número atómico.

Por ejemplo, El número atómico del Nitrógeno es 7. Esto significa que cada átomo neutro de Nitrógeno tiene 7 Protones y 7 Electrones. O bien, visto de otra forma, cada átomo en el universo que contenga 7 protones se llama "Nitrógeno".

James Chadwick : El Neutrón

El modelo de Rutherford de la estructura atómica dejaba un importante problema sin resolver. Se sabía que el hidrógeno, el átomo más sencillo, contenía solamente un protón, y que el átomo de helio contenía dos protones. Por tanto, la relación entre la masa de un átomo de helio y un átomo de hidrógeno debería ser 2:1. (Debido a que los electrones son mucho más ligeros que los protones, se puede ignorar su contribución a la masa atómica.) Sin embargo, en realidad la relación es 4:1.

Rutherford y otros investigadores habían propuesto que debería existir otro tipo de partícula subatómica en el núcleo, hecho que el físico inglés James Chadwick probó en 1932.

Cuando Chadwick bombardeó una delgada lámina de berilio con partículas alfa, el metal emitió una radiación de muy alta energía, similar a los rayos Gamma.

Experimentos posteriores demostraron que esos rayos realmente constan de un tercer tipo de partículas subatómicas, que Chadwick llamó neutrones debido a que se demostró que eran partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones. El misterio de la relación de las masas ahora podía explicarse. En el núcleo de helio existen dos protones y dos neutrones, mientras que en el núcleo de hidrógeno hay sólo un protón y no hay neutrones; por tanto, la relación es 4:1.

James Chadwick (1891-1972). Físico británico. En 1935 recibió el Premio Nobel de física por demostrar la existencia de los neutrones.

El electrón, el protón y el neutrón son los componentes fundamentales del átomo que son importantes para la química. En la tabla se muestran los valores de carga y de masa de estas tres partículas elementales.

Masa  y carga de las partículas subatómicas

Partícula Subatómica	Masa (g)	Columbs	Carga Unitaria
Protón	1.67262 × 10-24	+1,6022 × 10-23	+1
Neutrón	1.67493 × 10-24	0	0
Electrón	9,10939 × 10-28	-1,6022 × 10-23	-1

El Experimento de Ernest Rutherford : El Protón y el Núcleo

Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los átomos: contienen electrones y son eléctricamente neutros. Para que un átomo sea neutro debe contener el mismo número de cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un átomo podía visualizarse como una esfera uniforme cargada positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran las pasas en un pastel. Este modelo, llamado "modelo del budín de pasas", se aceptó como una teoría durante algunos años.

Modelo atómico de Thomson, algunas veces llamado el modelo "del budín de pasas" por su semejanza con el tradicional postre inglés que contiene pasas, los electrones están insertos en una esfera uniforme cargada positivamente.

 

 

En 1910 un físico neozelandés. Ernest Rutherford, que estudio con Thomson en la Universidad de Cambridge, utilizó partículas alfa para demostrar la estructura de los átomos. Junto con su colega Hans Geiger y un estudiante de licenciatura llamado Ernest Marsden. Rutherford efectuó una serie de experimentos utilizando láminas muy delgadas de oro y de otros metales, como blanco de partículas a provenientes de una fuente radiactiva. Ellos observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse, o bien con una ligera desviación. De vez en cuando, algunas partículas alfa eran dispersadas (o desviadas) de su trayectoria con un gran ángulo. En algunos casos, las partículas alfa regresaban por la misma trayectoria hacia la fuente radiactiva. Éste fue el descubrimiento más sorprendente ya que. según el modelo de Thomson, la carga positiva del átomo era tan difusa que se esperaría que las partículas a atravesaran las láminas sin desviarse o con una desviación mínima, El comentario de Rutherford sobre este descubrimiento fue el siguiente:

'Resultó tan increíble como si usted hubiera lanzado una bala de 15 pulgadas hacia un trozo de papel de seda y la bala se hubiera regresado hacia usted."

 
Tiempo después, Rutherford pudo explicar los resultados del experimento de la dispersión de partículas a utilizando un nuevo modelo de átomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte de los átomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las partículas a atravesaron la lámina de oro sufriendo poca o ninguna desviación. Rutherford propuso que las cargas positivas de los átomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro del átomo, que llamó núcleo. Cuando una partícula a pasaba cerca del núcleo en el experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una gran desviación. Más aún, cuando una partícula a incidía directamente sobre el núcleo, experimentaba una repulsión tan grande que su trayectoria se invertía por completo.

 

Diseño experimental de Rutherford para medir la dispersión de las partículas alfa causada por una lámina de oro. La mayoría de las partículas alfa atraviesan la lamina de oro con poca o ninguna desviación. Algunas se desvían con un ángulo grande Ocasionalmente alguna partícula invierte su trayectoria.

Abajo se muestra un esquema amplificado de la trayectoria de las partículas a al atravesar o ser desviadas por los núcleos.

 

 

Las partículas del núcleo que tienen carga positiva reciben el nombre de protones. En otros experimentos se encontró que los protones tienen la misma cantidad de carga que los electrones y que su masa es de

1.67262 × 10^-24 g.

aproximadamente 1840 veces la masa de las partículas con carga negativa, los electrones.

Hasta este punto, los científicos visualizaban el átomo de la siguiente manera:

• la masa del núcleo constituye la mayor parte de la masa total del átomo, pero el núcleo ocupa solamente 1/1013 del volumen total del átomo.
• Las dimensiones atómicas (y moleculares) se expresarán aquí, de acuerdo con el SI (Sistema Internacional), con una unidad llamada picómetro (pm), donde:

1 pm = 1 × 10^-12 m.

• El radio de un átomo es aproximadamente de 100 pm, mientras que el radio del núcleo atómico es solamente de 0.005 pm. Se puede apreciar la diferencia relativa entre el tamaño de un átomo y su núcleo imaginando que si un átomo tuviera el tamaño del estadio Astrodomo de Houston, el volumen de su núcleo sería comparable con el de una pequeña canica. Mientras que los protones están confinados en el núcleo del átomo, se considera que los electrones están esparcidos alrededor del núcleo y a cierta distancia de él.
• El concepto de radio atómico tiene utilidad experimental, pero no debe suponerse que los átomos tienen dimensiones o superficies bien definidas. Más adelante se aprenderá que las regiones externas de los átomos son relativamente "difusas".

Video: Rutherford´s Experiment: Nuclear Atom

Radiactividad

En 1895. el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen observó que cuando los rayos catódicos incidían sobre el vidrio y los metales, hacían que éstos emitieran unos rayos desconocidos. Estos rayos muy energéticos eran capaces de atravesar la materia, oscurecían las placas fotográficas, incluso cubiertas, y producían fluorescencia en algunas sustancias. Debido a que estos rayos no eran desviados de su trayectoria por un imán, no estaban constituidos por partículas con carga, como los rayos catódicos. Röntgen les dio el nombre de rayos X, por su naturaleza desconocida.
Poco después del descubrimiento de Röntgen. Antoine Becquerel, profesor de física en París, empezó a estudiar las propiedades fluorescentes de las sustancias. Accidentalmente encontró que algunos compuestos de uranio oscurecían las placas fotográficas cubiertas, incluso en ausencia de rayos catódicos. AI igual que los rayos X, los rayos provenientes de los compuestos de uranio resultaban altamente energéticos y no los desviaba un imán, pero diferían de los rayos X en que se emitían de manera espontánea. Marie Curie, discípula de Becquerel, sugirió el nombre de radiactividad para describir la emisión espontánea de partículas y/o radiación. Desde entonces se dice que un elemento es radiactivo si emite radiación de manera espontánea.
La desintegración o descomposición de las sustancias radiactivas, como el uranio, produce tres tipos de rayos diferentes. Dos de estos rayos son desviados de su trayectoria por placas metálicas con cargas opuestas.

• Los rayos alfa (α) constan de partículas cargadas positivamente, llamadas partículas α que se apartan de la placa con carga positiva.
• Los rayos beta (β), o partículas β, son electrones y se alejan de la placa con carga negativa.
• Un tercer tipo de radiación consta de rayos de alta energía. llamados rayos gamma (γ). Al igual que los rayos X, los rayos γ no presentan carga y no les afecta un campo externo.

Los tres tipos de rayos emitidos por elementos radiactivos: Los rayos Beta consisten en partículas con carga negativa (electrones), por lo que son atraídos por la placa cargada positivamente. Lo contrario ocurre con los rayos alfa, que tienen carga positiva y se dirigen hacia la placa cargada negativamente. Debido a que los rayos Gamma y no presentan carga, su trayectoria no sé ve afectada por un campo eléctrico externo.

El Descubrimiento de los Electrones

Afortunadamente, podemos adquirir una comprensión cualitativa de la estructura atómica sin tener que seguir el curso de los descubrimientos que precedieron a la física atómica. Sin embargo, si necesitamos algunas ideas clave sobre los fenómenos interrelacionados de electricidad y magnetismo, que discutimos aquí brevemente. La electricidad y el magnetismo se utilizaron en los experimentos que condujeron a la teoría actual de la estructura atómica.

Algunos objetos muestran una propiedad denominada carga eléctrica, que puede ser positiva (+) o negativa (-). Las cargas positivas y negativas se atraen, se neutralizan entre sí, mientras que dos cargas positivas o dos negativas se repelen.

Como veremos en esta sección, todos los objetos materiales están formados por partículas cargadas.

• Un objeto eléctricamente neutro tiene un número igual de partículas cargadas positiva y negativamente y no lleva carga neta.
• Si el número de cargas positivas es mayor que el número de cargas negativas, el objeto tiene una carga neta positiva.
• Si el número de cargas negativas excede al de las positivas, el objeto tiene una carga neta negativa.

Se puede observar que cuando frotamos una sustancia contra otra, como cuando nos peinamos, se produce una carga eléctrica estática, lo que implica que el frotamiento separa algunas cargas positivas y negativas. Además, cuando se produce una carga positiva en algún lugar, también aparece una carga negativa equivalente en otro lugar de forma que la carga se compensa.

El descubrimiento de los electrones
La abreviatura para los tubos de rayos catódicos, CRT, se ha convenido en un acrónimo habitual. El CRT es el corazón de los monitores de ordenador y los aparatos de televisión. El primer tubo de rayos catódicos fue construido por Michael Faraday (1791-1867) hace 150 años aproximadamente. AI hacer pasar la electricidad a través de tubos de vidrio sometidos al vacío, Faraday descubrió los rayos catódicos, un tipo de radiación emitida por el polo negativo o cátodo que atravesaba el tubo evacuado hacia el polo positivo o ánodo. Posteriormente los científicos encontraron que los rayos catódicos viajan en línea recta y tienen propiedades que son independientes del material del cátodo (es decir, de si éste es hierro, platino, etc.).

Un tubo de rayos catódicos se compone de una fuente de electricidad de alto voltaje que crea una carga negativa sobre el electrodo de la izquierda (cátodo) y una carga positiva sobre el electrodo de la derecha (ánodo). Los rayos catódicos se dirigen desde el cátodo (C) hacia el ánodo (A) que está perforado para permitir el paso de un haz estrecho de rayos catódicos. Los rayos solamente son visibles mediante el color verde fluorescente que producen sobre una pantalla recubierta de sulfuro de zinc. Son invisibles en el resto del tubo.

Los rayos catódicos producidos en el CRT, son invisibles, y sólo pueden detectarse por la luz emitida por los materiales con los que chocan. Estos materiales denominados fosforescentes se utilizan como pintura al final del CRT, de manera que pueda verse el recorrido de los rayos catódicos. (Fluorescencia es el término utilizado para describir la emisión de luz por una sustancia fosforescente cuando ésta recibe radiación energética.) Otra observación importante sobre los rayos catódicos es que son desviados por los campos eléctricos y magnéticos de la forma esperada para las partículas cargadas negativamente.

Desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico: El haz de rayos catódicos es desviado cuando viaja de izquierda a derecha en el campo creado por las placas del condensador (E) cardadas eléctricamente. La desviación corresponde a la esperada para partículas con carga negativa.

Desviación de los rayos catódicos en un campo magnético: El haz de rayos catódicos es desviado cuando viaja de izquierda a derecha en un campo magnético (M). La desviación corresponde a la esperada para partículas con carga negativa.  

 

En 1897, J. J. Thomson (1856 -1940) estableció la relación entre la masa (m) y la carga (e) de los rayos catódicos, es decir, masa/carga (m/e), mediante el método descrito en la Siguiente Figura. Thomson, también concluyó que los rayos catódicos son partículas fundamentales de materia, cargadas negativamente y que se encuentran en todos los átomos. (Las propiedades de los rayos catódicos son independientes de la composición del cátodo.) Posteriormente, a los rayos catódicos se les dio el nombre de electrones, término propuesto por George Stoney en 1874.

Determinación de la razón masa-carga para los rayos catódicos: El haz de rayos catódicos choca con la pantalla al final del tubo sin desviarse si las fuerzas ejercidas sobre el haz por los campos eléctrico y magnético se contrarrestan. Conociendo la intensidad del campo eléctrico y magnético, junto con otros datos, se puede obtener el valor de masa/carga. Las medidas más precisas proporcionan un valor de -5,6857 × 10^-9 gramos por culombio. (Como los rayos catódicos tienen carga negativa, el signo de la relación carga-masa también es negativo.)

Robert Millikan (1868-1953), determinó la carga electrónica (e) mediante una serie de experimentos con gotas de aceite (1906-1914) descritos en la Siguiente Figura. El valor de la carga electrónica aceptado actualmente, expresado con cinco cifras significativas es:

-1,6022 × 10^-19 C.

Utilizando este valor y un valor exacto de la relación masa-carga para un electrón, se obtiene que la masa de un electrón es :

9,1094 × 10^-28 g.

Experimento de la gota de Millikan: Los iones, átomos o moléculas cargadas, se producen por la acción de una radiación energética conocida como rayos X. Algunos de estos iones llegan a unirse a pequeñas gotitas de aceite, proporcionándoles una carga neta. La velocidad de caída de una gotita en el campo eléctrico entre las placas del condensador aumenta o disminuye dependiendo de la magnitud y el signo de la carga de la gota. Analizando los datos de un gran número de gotitas. Millikan concluyó que la magnitud de la carga, (q) de una gota es un múltiplo entero de la carga electrónica, (e). Es decir, q = n e (donde n = 1, 2, 3,…)

Una vez considerado el electrón como una partícula fundamental de la materia existente en todos los átomos, los físicos atómicos empezaron a especular sobre cómo estaban incorporadas estas partículas dentro de los átomos. El modelo comúnmente aceptado era el propuesto por J. J. Thompson, quien pensó que la carga positiva necesaria para contrarrestar las cargas negativas de los electrones en un átomo neutro estaba en forma de una nube difusa. Sugirió que los electrones flotaban en esta nube difusa de carga positiva, semejante a una masa de gelatina con los electrones a modo de "frutas" embebidos en ella. A este modelo se le dio el nombre de budín de ciruelas por su semejanza con un conocido postre inglés.

Video: Crookes Maltese Cross tube

Video: Milikan Oil Drop Experiment

La Teoría Atómica de Dalton

En el siglo V A.C el filosofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que significa indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos. Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicas apoyaron el concepto del "atomismo", lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, un científico inglés, el profesor John Dalton,  formulo una definición precisa de las unidades indivisibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos.
El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton, pueden resumirse como sigue:

1.     Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos.

2.     Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla.

3.     Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de
los átomos: nunca supone la creación o destrucción de los mismos.

El concepto de Dalton sobre un átomo es mucho más detallado y específico que el concepto de Demócrito.

La primera hipótesis establece que los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Dalton no intentó describir la estructura o composición de los átomos. Tampoco tenía idea de cómo era un átomo, pero se dio cuenta de que la diferencia en las propiedades mostradas por elementos como el hidrógeno y el oxígeno, sólo se puede explicar a partir de la idea de que Los átomos de hidrógeno son diferentes de los átomos de oxígeno.

La segunda hipótesis sugiere que, para formar un determinado compuesto, no solamente se necesitan los átomos de los elementos correctos, sino que es indispensable un número específico de dichos átomos. Esta idea es una extensión de una ley publicada en 1799 por el químico francés Joseph Proust. La ley de las proporciones definidas de Proust establece que muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción de masa. Así, si se analizan muestras de dióxido de carbono gaseoso obtenidas de diferentes fuentes, en todas las muestras se encontrará la misma proporción de masa de carbono y oxígeno. Entonces, si la proporción de las masas de los diferentes elementos de un compuesto es una cantidad fija, la proporción de los átomos de los elementos en dicho compuesto también debe ser constante.
La segunda hipótesis de Dalton confirma otra importante ley. la ley de las proporciones múltiples. Según esta ley, si dos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro, mantiene una relación de números enteros pequeños. La teoría de Dalton explica la Ley de las proporciones múltiples de una manera muy sencilla: diferentes compuestos formados por los mismos elementos difieren en el número de átomos de cada clase. Por ejemplo, el carbono forma dos compuestos estables con el oxígeno, llamados rnonóxido de carbono y dióxido de carbono. Las técnicas modernas de medición indican que un átomo de carbono se combina con un átomo de oxígeno en el rnonóxido de carbono, y con dos átomos de oxígeno en el dióxido de carbono. De esta manera, la proporción de oxigeno en el rnonóxido de carbono y en el dióxido de carbono es 1 : 2. Este resultado está de acuerdo con la ley de las proporciones múltiples.

 

La tercera hipótesis de Dalton es una forma de enunciar la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. Debido a que la materia esta formada por átomos, que no cambian en una reacción química, se concluye que la masa también se debe conservar. La brillante idea de Dalton sobre la naturaleza de la materia fue el principal estímulo para el rápido progreso de la química durante el siglo XIX.

Ley de Dalton o Ley de las Proporciones Multiples

Puede ocurrir que dos elementos se combinen entre sí para dar lugar a varios compuestos (en vez de uno solo, caso que contempla la ley de Proust). Dalton en 1808 concluyo que: los pesos de uno de los elementos combinados con un mismo peso del otro guardaran entren sí una relación, expresables generalmente por medio de números enteros sencillos.

Ejemplo:
La combinación de una misma cantidad de Carbono (12 gramos) con distintas cantidades de Oxígeno.

C  + O2 --> CO2	12 g. de C      +  32 g. de O2  -->  44 g. CO2
C  + ½ O2 --> CO2	12 g. de C      +  16 g. de O2  -->  28 g. CO2

Se observa que las cantidades de oxígeno mantienen la relación numérica sencilla (en este caso "el doble")

32/16 = 2

Video:  Leyes ponderales – ley de proporciones múltiples

Ley de Proust o Ley de las Proporciones Definidas

En 1799. Joseph Proust (1754-1826) estableció que "Cien libras de cobre, disuelto en ácido sulfúrico o nítrico y precipitado por carbonato de sodio o potasio, producen invariablemente 180 libras de carbonato de color verde." *.*Esta observación y otras similares constituyeron la base de la Ley de Proust, o la Ley de las proporciones definidas:

Todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición, es decir, las mismas proporciones en masa de los elementos constituyentes.

Para ver cómo se cumple la Ley de Proust, considere el compuesto agua. El agua contiene dos átomos de hidrógeno (H) por cada átomo de oxígeno (O), un hecho que puede representarse simbólicamente por una fórmula química, la conocida fórmula H2O. Las dos muestras descritas a continuación tienen las mismas proporciones de los dos elementos, expresadas como porcentajes en masa. Por ejemplo, para determinar el porcentaje en masa de hidrógeno, simplemente se divide la masa de hidrógeno por la masa de la muestra y se multiplica por 100. En cada muestra se obtendrá el mismo resultado: 11,9 por ciento de H.

Muestra A	Composición	Muestra B
10,000 g		27,000 g
1,119 g de Hidrogeno	% de Hidrogeno = 11,19	3,021 g de Hidrogeno
8,881 g de Oxigeno	% de Oxigeno = 88,81	23,979 g de Oxigeno

 

Video: Ley de las Proporciones Constantes - Ley de Proust. Leyes ponderales

 

Ley de conservación de la masa

En 1774, Antoine Lavoisier (1743-1794) realizó un experimento calentando un recipiente de vidrio cerrado que contenía una muestra de estaño y aire. Encontró que la masa antes del calentamiento (recipiente de vidrio + estaño + aire) y después del calentamiento (recipiente de vidrio + "estaño calentado" + el resto de aire), era la misma. Mediante experimentos posteriores demostró que el producto de la reacción, estaño calentado (óxido de estaño), consistía en el estaño original junto con parte del aire. Experimentos como este demostraron a Lavoisier que el oxígeno del aire es esencial para la combustión y le llevaron a formular la ley de conservación de la masa:

La masa total de las sustancias presentes después de una reacción química es la misma que la masa total de las sustancias antes de la reacción.

Video: Ley de Conservación de la Masa