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Los tomos La diversidad de materiales presentes en la naturaleza y sus diferentes propiedades han llevado al ser humano a buscar una explicacin que lo lleve a conocimiento y comprensin de la naturaleza de la materia y su estructura. Se hace entonces necesario pasar de una visin macroscpica a una visin microscpica del mundo material. Para esto el ser humano ha recurrido a modelos mentales simples para explicar la estructura interna de la materia.

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Los tomos En la actualidad conocemos mucho de la estructura y propiedades de los tomos; pero, Cmo se ha llegado a este conocimiento?. Imaginemos que tenemos una caja con objetos distintos, pero que no se nos permite abrirla; Qu haras para saber su contenido?. Posiblemente realizaras una serie de pruebas como agitar la caja de diferentes formas, escuchar los sonidos que se generan al moverla, levantarla para sentir si hay objetos pesados o livianos, etc. A partir de estas acciones tendrs una idea del contenido de la caja y seguramente te atreveras a precisar el nombre de algunos objetos en su interior e incluso hacer predicciones del comportamiento de la caja.

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Los tomos Al igual que la caja, puesto que no podemos ver el interior de los tomos, lo que hacemos es emplear nuestro sentidos y herramientas para crear un modelo, que explique el comportamiento de los mismos Los modelos cientficos son ideas o representaciones que intentan explicar los fenmenos observados. Un modelo se puede perfeccionar, cambiar o desechar si ya no cumple la funcin para lo que fue propuesto. Desde tiempos antiguos se ha propuesto un modelo de partculas (modelos atmicos) para explicar la estructura de la materia. Este modelo se ha ido identificando y modificando en la medida que el conocimiento cientfico ha avanzado.

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Los tomos Cinco siglos antes de Cristo, los filsofos griegos se preguntaban si la materia poda ser dividida indefinidamente o si llegara a un punto, que tales partculas, fueran indivisibles. Basados en razonamientos lgicos, Leucipo (450 a. C.) y su discpulo Demcrito (460-370 a. C.) propusieron que la materia estaba formada por pequeas partculas indivisibles a las que llamaron tomos.

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Los tomos La teora atomstica de Demcrito y Leucipo dice as: Toda la materia existente en el Universo esta formada por tomos slidos. Entre los tomos existe slo vaco. Los tomos son eternos, indivisibles, e invisibles. Los tomos de diferentes cuerpos difieren entre s, por su forma, tamao y distribucin geomtrica. Las propiedades de la materia varan segn el agrupamiento de los tomos. Los tomos se diferencian en su forma y tamao Esta teora, al igual que todas las teoras filosficas griegas, no apoya sus postulados mediante experimentos, sino que se explica mediante razonamientos lgicos.

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Los tomos Debido a la falta de pruebas experimentales, la idea de tomo fue desaparecida durante los 2000 aos siguientes. El desarrollo de la qumica tom un nuevo giro a partir de las investigaciones de Antoine Lavoisier (1743-1794), quien realiz los primeros experimentos qumicos realmente cuantitativos. Lavoisier demostr que en una reaccin qumica la cantidad de materia es la misma al comienzo y final de la reaccin. A partir de los resultados de sus experimentos enunci la ley conocida como ley de la conservacin de la materia, la cual establece: la materia no se crea ni se destruye, slo se transforma. Por lo anterior, Lavoisier es considerado padre de la qumica moderna.

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Los tomos Posteriormente, Joseph Proust (1754-1826), qumico francs, a travs de sus experimentos concluy la composicin de una sustancia pura es siempre la misma, independientemente del modo en que se haya preparado o de su lugar de procedencia en la naturaleza. As, por ejemplo, el agua pura contiene siempre un 11,2% de hidrgeno y un 88,8% de oxgeno. Segn esto, para obtener en el laboratorio 100 gramos de agua pura hay que hacer reaccionar las cantidades mencionadas. Este hecho, comprobado en cientos de compuestos, se conoce como la ley de las proporciones definidas y se puede enunciar de dos formas: a) Cuando dos o ms elementos qumicos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen segn una relacin constante entre sus masas. b) Cuando un determinado compuesto se separa en sus elementos, las masas de stos se encuentran en una relacin constante que es independiente de cmo se haya preparado el compuesto, de si se ha obtenido en el laboratorio o de su procedencia. Las consecuencias de esta ley son importantes para la qumica, no slo como mtodo para identificar un compuesto, sino tambin para conocer las cantidades de las sustancias que reaccionan entre s.

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Los tomos John Dalton (1766-1844), qumico y fsico britnico, comprob en el laboratorio que, al hacer reaccionar cobre con oxgeno en diferentes condiciones, se obtenan dos xidos de cobre diferentes que, dependiendo de las condiciones, podan combinarse de forma distinta, pero que sus masas siempre estaban en una relacin de nmeros enteros. Lleg a la misma conclusin con otros experimentos realizados en el laboratorio y propuso una tercera ley denominada ley de las proporciones mltiples, cuyo enunciado puede ser de dos formas: a) Los elementos se pueden combinar en ms de una proporcin, y cada conjunto corresponde a un compuesto diferente. las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro para formar varios compuestos, estn en una relacin de nmeros enteros sencillos 1:1, 2:1, 1:2, 1:3, 3:1, 2:3, 5:3, etctera. En el dibujo, se puede observar que un tomo de oxgeno se puede combinar con un tomo de cobre para para formar un xido de cubre o bien, con dos tomos de cubre para formar otro xido de cobre con caractersticas totalmente distintas al primero.

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Los tomos Con la informacin obtenida de las tres leyes anteriores, a principios del siglo XIX (1803), John Dalton propone un nuevo modelo sobre la estructura de la materia. Segn Dalton toda la materia se poda dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estaran constituidos por unidades fundamentales, que en honor a Demcrito, Dalton denomin tomos. Los compuestos estaran formados de molculas, cuya estructura viene dada por la unin de tomos en proporciones definidas y constantes.

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Los tomos Al modelo atmico de Dalton se le considera como la primera teora moderna del tomo, que postula lo siguiente: La materia est formada por pequeas partculas rgidas, esfricas e indivisibles llamadas tomos. Los tomos son iguales para un mismo elemento pero diferentes para otros, tanto en forma, tamao y masa como en propiedades. Los tomos no se crean ni se destruyen ni se transforman en otros tipos de tomos durante las reacciones qumicas, sino simplemente se reordenan. Los tomos se pueden combinar para formar molculas de dos o ms tomos y siempre lo hacen en proporciones fijas de nmeros enteros positivos.

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Los tomos Con su teora del tomo, Dalton hizo referencia a las leyes anteriormente descritas, y estableci una diferencia entre los compuestos formados por un solo elemento y los formados por dos o ms elementos diferentes, a los que llam molculas. Esta teora ayud a explicar el comportamiento de la materia en diversas situaciones, conjuntamente con algunos hechos experimentales. La teora atmica de Dalton presentaba algunas imprecisiones, pues hoy sabemos que el tomo si se puede dividir, y existen elementos iguales, pero con masa distinta; Por ello, Dalton no lleg a presentar una propuesta clara de la estructura del tomo.

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Los tomos A pesar de que la teora de Dalton era errnea en varios aspectos, signific un avance cualitativo importante en el camino de la comprensin de la estructura de la materia. Por supuesto que la aceptacin del modelo de Dalton no fue inmediata, muchos cientficos se resistieron durante muchos aos a reconocer la existencia de dichas partculas (tomos). Debido a que John Dalton no elabor ninguna hiptesis acerca de la estructura de los tomos, hubo que esperar casi un siglo para que alguien expusiera un nuevo modelo acerca de la estructura de la materia.

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Los tomos Otros cientficos despus de John Dalton realizaron investigaciones sobre la estructura del tomo, que han permitido descubrir, hasta el da de hoy, ms de 30 partculas ms pequeas que el tomo, de las cuales las tres ms importantes son: el protn, electrn y neutrn. La primer partcula ms pequea que el tomo fue descubierta por Eugen Goldstein (1850-1930) en el ao de 1886. Utilizando un tubo de rayos catdicos (ver figura) Goldstein observ que haba rayos que se desviaban hacia el polo negativo del tubo (ctodo), concluyendo que eran partculas con carga elctrica positiva, a las que ms tarde se les denomin protones.

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Los tomos En el ao de 1897, J.J. Thomson (1856-1940) perfeccion el tubo de rayos catdicos y con el descubri que el tomo, adems del protn (carga elctrica positiva), posea unas partculas con carga elctrica negativa, de masa mucho ms pequea de la del protn pero de igual carga elctrica, a las que llam electrones; lo que lo llev a concluir que el tomo es elctricamente neutro, por la igualdad entre la magnitud de las cargas elctricas del protn y el electrn, pero uno positivo y el otro negativo. tomando en cuenta su descubrimiento, J.J. Thomson sugiere un modelo atmico que tomaba en cuenta la existencia del electrn.

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Los tomos Su modelo atmico supona lo siguiente: Los electrones estaban en reposo dentro del tomo y que el conjunto era elctricamente neutro. Una nube positiva que contena las pequeas partculas negativas (los electrones) suspendidos en ella. Lo anterior era con la intencin de explicar la formacin de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atmica. La propuesta de J.J. Thomson era algo similar a un pastel con pasas donde el pastel es la nube positiva y las pasas son los electrones. El nmero de cargas negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En el caso de que el tomo perdiera un electrn, la estructura quedara positiva; y si ganaba, la carga final sera negativa. De esta forma, explicaba la formacin de iones; pero dej sin explicacin la existencia de las otras radiaciones.

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Los tomos El modelo de J.J. Thomson fue el primer modelo atmico para explicar la naturaleza elctrica de la materia. Con este modelo se podan explicar una gran cantidad de fenmenos atmicos conocidos hasta la fecha; por ejemplo, se logr explicar por qu los tomos slo podan emitir partculas negativas y no positivas.

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Los tomos Hasta el momento conocemos dos partculas que forman parte del tomo: los protones con carga elctrica positiva y los electrones con carga elctrica negativa. En 1895, Wilhelm Roentgen (1845- 1923) trabajando con diversas sustancias y utilizando tambin un tubo de rayos catdicos, descubri una nueva clase de rayos. Para observar mejor los nuevos rayos, cubri el tubo de rayos catdicos con un cartn; accidentalmente interpuso su mano entre el tubo y el cartn y pudo ver su mano reflejada en el cartn. Roentgen no tuvo idea de la naturaleza de los rayos que acababa de descubrir y los llam rayos X, los cuales tienen la capacidad de traspasar el papel, la madera, la carne, etc., provocando la impresin de placas fotogrficas.

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Los tomos Este acontecimiento marc una nueva era en la historia del hombre. Los rayos X vinieron a revolucionar la medicina, ya que con ellos, hoy en da, tenemos oportunidad de conocer las fracturas de los huesos, la deteccin de tumores y otros padecimientos. Tambin son utilizados en los aeropuertos para detectar la presencia de metales, principalmente armas, en la industria de la construccin para detectar fallas en las estructuras metlicas de los edificios, etc. Su descubrimiento ha sido de mucho beneficio para la humanidad y lo ms curioso es que Roentgen nunca patento su hallazgo y muri en la miseria.

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Los tomos Poco despus de Roentgen Henry Becquerel (1852-1908), fsico francs, comenz a investigar algunos elementos que tenan la capacidad de emitir rayos X. Para ello utilizaba placas fotogrficas envueltas en papel negro para evitar que la luz solar las velara. En cierta ocasin, de manera accidental, dej las placas fotogrficas (en ausencia de luz solar) junto a un mineral llamado pechblenda, mineral que contiene uranio, das despus, cuando fue a utilizar las placas, encontr que estaban veladas, lo que explicaba que el mineral pechblenda emita una radiacin de tipo desconocida; de esta manera tan fortuita fue descubierta la radiactividad. Estudios posteriores de los esposos Curie (Marie y Pierre) demostraron que la radiactividad no era el resultado de una reaccin qumica, sino una propiedad elemental de ciertos tomos.

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Los tomos En 1909, Ernest Rutherford (1871- 1937), fsico y qumico de Nueva Zelanda estudi las emisiones radioactivas descubiertas por Henry Becquerel, descubriendo que existan al menos dos tipos de ellas, una que era fcilmente absorbida por los materiales a la que llam rayos alfa, y la otra de naturaleza ms penetrante llamndolas rayos beta. En 1914, descubre una tercera radiacin a la que llam rayos gamma, an ms penetrante que las dos anteriores; adems, encontr que la radiactividad iba acompaada por una desintegracin de los elementos. En 1911, Rutherford y sus colaboradores, realizaron un experimento bombardeando una finsima lmina de oro con partculas alfa con el fin de explorar el interior del tomo.

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Los tomos Para ello construyeron un aparato (ver figura) donde partculas (rayos alfa) con carga elctrica positiva se dirigen hacia una muy delgada lmina de oro que en la parte posterior tena una pantalla luminiscente para detectar las partculas que la atravesaran. Los resultados fueron reveladores, la mayora de las partculas atraves la lmina de oro, pero slo unas pocas se desviaron de su trayectoria; inclusive, algunas de ellas se desviaron totalmente hacia atrs. Estos hechos hicieron suponer a Rutherford que los rayos alfa haban chocado con algo muy denso y que ocupa un espacio muy pequeo en comparacin con el tamao del tomo. Esta parte tan pequea del tomo fue llamada ncleo.

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Los tomos Los experimentos llevados a cabo Ernest Rutherford evidenciaron las deficiencias del modelo atmico de J.J. Thomson; este hecho llev a Rutherford a postular lo siguiente: a) Los tomos poseen un centro de carga positiva llamado ncleo atmico, en el cual se concentra la mayor parte de la masa del tomo y donde se encuentran los protones. b) los electrones se mueven en rbitas alrededor del ncleo dejando espacios vacos relativamente grandes y formando una nube electrnica. c) La carga negativa de los electrones contrarresta la carga positiva del ncleo, por lo que el tomo es elctricamente neutro.

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Los tomos Con el modelo de Rutherford que propone la existencia de dos cargas (los protones ubicados en el ncleo del tomo y que concentra casi toda la masa, y los electrones ubicados alrededor del ncleo, formando una nube electrnica y ocupando el mayor volumen del tomo) se pueden explicar algunos fenmenos como los de electrizacin de la materia, pero todava faltaba una pieza en el rompecabezas para tener completa la estructura del tomo, ya que ciertos hechos experimentales demostraban que haca falta algo ms que protones y electrones.

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Los tomos Dos fsicos alemanes, Bother y Becker, en 1930 informaron que haban liberado del ncleo atmico una misteriosa radiacin, bombardeando tomos de berilio con partculas alfa. Dos aos despus James Chadwick, por medio de una serie de experimentos demostr que las radiaciones descubiertas por Bother y Becker se trataba de partculas, de naturaleza muy penetrante, que tenan una masa mas o menos igual a la masa del protn, que carecan de carga elctrica y que se encontraban en el ncleo de los tomos. A esta nueva partcula se le denomin neutrn.

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Los tomos El modelo de Rutherford supona que los electrones se encontraban girando alrededor del ncleo atmico como los planetas giran alrededor del Sol. En su modelo Rutherford no explicaba por que si en el ncleo est concentrada la mayor parte de la masa del tomo y tiene carga positiva, los electrones, con carga elctrica negativa, no caan hacia el ncleo atrados por la fuerza electrosttica entre ambas partculas, al igual que los cuerpos caen hacia la Tierra atrados por la fuerza gravitatoria.

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Los tomos Niels Bohr (1885-1962), fsico dans, propuso un nuevo modelo de la estructura atmica que superaba las dificultades del tomo de Rutherford. Bohr, en el ao de 1913, desarroll una hiptesis conocida como teora atmica de Bohr que implicaba los siguientes postulados: a) El tomo consta de un ncleo en el que esta localizada toda la carga elctrica positiva del tomo y casi toda su masa. b) Los electrones giran, alrededor del ncleo, en orbitas circulares estacionarias sin emitir energa, de forma que la fuerza centrfuga equilibra la fuerza de atraccin electrosttica.

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Los tomos c) El electrn no puede girar alrededor del ncleo en cualquier orbita, solo puede hacerlo en aquellas a una distancia definida del ncleo. A estas rbitas se les denomina niveles cunticos o niveles de energa y estn ubicadas a una distancia considerable del ncleo y a la disposicin de los electrones alrededor del ncleo se le denomina configuracin electrnica.

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Los tomos Las rbitas electrnicas (niveles cunticos) se superponen de forma regular hasta un mximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado nmero de electrones. La primera capa est completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un mximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningn tomo existente en la naturaleza tiene la sptima capa llena. Los "ltimos" electrones, los ms externos de la estructura del tomo, determinan el comportamiento qumico del mismo. En el dibujo se pueden ver los 7 niveles de energa y sus respectivos nombres (primer nivel K, segundo nivel L, tercer) y el nmero de electrones que cada nivel puede albergar. Observe que el ltimo nivel (7) puede albergar como mximo 8 electrones.

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Los tomos d) Cuando el electrn se mueve en una determinada orbita no radia energa, solo lo hace cuando cambia de orbita. Si pasa de una orbita externa a otra mas interna emite energa y la absorbe cuando pasa de una orbita interna a otra mas externa. La energa es emitida en paquetes, y a cada paquete se le denomina fotn; lo que quiere decir que, cada vez que un electrn brinque de una rbita a la rbita siguiente, ya sea interior o exterior, emite o absorbe un fotn de energa.

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Los tomos Los tomos de gases calientes emiten y absorben luz a ciertas longitudes de onda. En el grfico de arriba, se muestran tres espectros de emisin y uno de absorcin. La concordancia entre la informacin terica proporcionada por el modelo atmico de Niels Bohr y la informacin obtenida experimentalmente con los espectros de luz de diferentes tomos, signific un xito rotundo para Bohr y su modelo atmico.