Módulo 2: Estructura atómica

Módulo 2: Estructura atómica explora el concepto del átomo, la unidad básica de la materia, y nos adentra en su estructura, constitución y la evolución de los modelos teóricos que intentan explicarla. Este módulo permite comprender cómo la Química estudia la materia desde su nivel más fundamental, el atómico, y su importancia para interpretar fenómenos naturales y aplicaciones científicas.

2.1. Teoría atómica

La teoría atómica es fundamental en Química y afirma que toda la materia está compuesta por átomos, unidades básicas indivisibles. Aunque el concepto de átomo comenzó en la filosofía griega antigua, fue formalizado en el siglo XIX por John Dalton, quien postuló que:

1. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos.
2. Los átomos de diferentes elementos tienen distintas propiedades.
3. Los compuestos se forman por la unión de átomos en proporciones definidas.
4. Los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas.

Esta teoría permitió un entendimiento estructurado de la materia y estableció las bases para explicar las reacciones químicas a nivel atómico. Dalton fue uno de los primeros en plantear la idea de los átomos como ladrillos básicos de la materia y, a pesar de que su modelo ha sido refinado, sentó las bases de la teoría atómica moderna.

2.2. Partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones

Con el avance de la investigación científica, se descubrió que los átomos están compuestos por tres partículas subatómicas:

• Protones: Tienen carga positiva (+) y se encuentran en el núcleo del átomo. La cantidad de protones (número atómico) define el tipo de elemento y determina sus propiedades químicas.
• Neutrones: Son partículas neutras, sin carga, también ubicadas en el núcleo. Los neutrones proporcionan estabilidad al núcleo y afectan la masa del átomo.
• Electrones: Son partículas con carga negativa (-) que se mueven en regiones alrededor del núcleo llamadas orbitales. Los electrones son responsables de las interacciones químicas y la formación de enlaces entre átomos.

Cada uno de estos componentes desempeña un papel esencial en la identidad, estabilidad y reactividad de los elementos. La estructura y el comportamiento de estas partículas han sido fundamentales para el desarrollo de la Química y la Física moderna.

2.3. Configuración electrónica

La configuración electrónica se refiere a la distribución de los electrones en los diferentes niveles de energía de un átomo. Este arreglo determina cómo se comportará el átomo en términos de reactividad y formación de enlaces. Los electrones se organizan en niveles o capas alrededor del núcleo, y siguen ciertas reglas:

• Principio de Aufbau: Los electrones ocupan primero los niveles de menor energía.
• Principio de exclusión de Pauli: En un mismo orbital, no pueden coexistir dos electrones con el mismo estado cuántico.
• Regla de Hund: En orbitales de igual energía, los electrones ocupan orbitales individuales antes de aparearse.

La configuración electrónica ayuda a entender las propiedades de los elementos en la tabla periódica, su reactividad y las tendencias periódicas, como el tamaño atómico y la electronegatividad.

2.4. Isótopos y sus aplicaciones

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones, lo que modifica su masa atómica pero no afecta significativamente sus propiedades químicas. Existen isótopos estables y isótopos radiactivos. Estos últimos emiten radiación al descomponerse en otros elementos y tienen aplicaciones importantes en varios campos:

• Medicina: Se utilizan en el diagnóstico por imagen y tratamiento de enfermedades. Ejemplo: el yodo-131, usado en tratamientos de tiroides.
• Arqueología: El carbono-14 es clave en la datación de restos orgánicos, permitiendo calcular la edad de objetos antiguos.
• Industria: Isótopos como el cobalto-60 se emplean en la esterilización de alimentos y equipos médicos, así como en radiografía industrial para el control de calidad.

El estudio de los isótopos también ayuda a entender la historia geológica de la Tierra y los cambios en los ecosistemas a lo largo del tiempo.

2.5. Modelos atómicos: de Dalton a Schrödinger

A lo largo de los años, la comprensión del átomo ha evolucionado gracias a los modelos atómicos. Estos modelos reflejan cómo se ha interpretado la estructura atómica en diferentes épocas:

1. Modelo de Dalton (1803): Sugiere que los átomos son indivisibles y que cada elemento está compuesto por átomos únicos.
2. Modelo de Thomson (1897): Propone que el átomo es una esfera de carga positiva con electrones incrustados, similar a un “pudín con pasas”.
3. Modelo de Rutherford (1911): Con el experimento de la lámina de oro, descubre que el átomo tiene un núcleo denso y cargado positivamente, con electrones orbitando a su alrededor.
4. Modelo de Bohr (1913): Introduce el concepto de niveles de energía, con electrones en órbitas fijas alrededor del núcleo. Explica la emisión de luz en los átomos.
5. Modelo cuántico de Schrödinger (1926): Basado en la mecánica cuántica, describe los electrones como ondas de probabilidad en orbitales, en lugar de órbitas fijas. Este modelo actual explica con precisión la estructura y comportamiento de los átomos.

Cada modelo ha sido un avance en la explicación de la estructura atómica y ha contribuido a nuestra comprensión de los fenómenos químicos y físicos, permitiéndonos desarrollar tecnologías y procesos clave en el mundo moderno.

Este Módulo 2: Estructura atómica sienta una base sólida para entender temas más avanzados en química, como las interacciones atómicas y moleculares, la termodinámica y las reacciones químicas.