Evidencia de átomos y elementos

Introducción a los átomos y los elementos

Ya sea que se dé cuenta o no, los átomos y las moléculas están a su alrededor constantemente, las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Todo lo que realmente vemos son sustancias como el agua, la suciedad o la mantequilla de maní, pero lo que hay debajo ha sido objeto de un intenso debate científico durante siglos.

En esta lección, discutimos la teoría atómica y los elementos, cómo sabemos lo que sabemos sobre los átomos y las moléculas, y su existencia tanto en la tierra como en el cosmos.

Química: es historia antigua

Mucho antes de que tuviéramos telescopios para ver los planetas y microscopios para ver las células y los átomos, los antiguos griegos habían propuesto la existencia de los elementos, algo así. Asumieron que todas las sustancias estaban compuestas de tierra, agua, viento o fuego en algunas proporciones. Algunos filósofos griegos llevaron esta idea un paso más allá y propusieron que los elementos estaban compuestos de partículas indivisibles que eran demasiado pequeñas para ser vistas.

Durante siglos, nuestro conocimiento de la química y la física continuó creciendo, pero hasta hace unos pocos cientos de años faltaba una comprensión fundamental de las partículas subyacentes a toda la materia, los átomos.

Átomos

No fue hasta que apareció John Dalton en el siglo XVII que se exploró en profundidad la idea de los átomos. John Dalton descubrió que ciertas sustancias, cuando se combinaban, lo hacían en determinadas proporciones o proporciones de masa. Por ejemplo, cuando el gas hidrógeno y el gas oxígeno se combinan para formar agua, siempre lo hacen en una proporción de masa de 8 partes de oxígeno por 1 parte de hidrógeno.

La única forma de explicar esto es la idea de que todas las muestras de hidrógeno están compuestas por el mismo «material», y de manera similar para todas las muestras de oxígeno. John Dalton extendió esta idea y dijo que la «materia» son en realidad las partículas microscópicas indivisibles llamadas átomos.

El electron

Después de un par de siglos más, experimentos adicionales llevaron a los científicos a creer que incluso los átomos están compuestos de partículas aún más pequeñas. Los científicos habían descubierto que cuando se coloca un voltaje a través de un filamento o placa en un vacío donde se ha eliminado casi todo el gas, se emiten rayos cargados negativamente. Estos rayos fueron llamados así porque exhibían algunas de las mismas propiedades que la luz.

Sin embargo, el científico JJ Thomson descubrió que podrían desviarse con un campo eléctrico o magnético, de forma muy similar a como se puede desviar la trayectoria de un clip arrojado colocando un imán cerca de su trayectoria. Esto no es posible para los rayos de luz. Thomson concluyó que, debido a que las partículas pueden ser desviadas por un imán, los rayos catódicos en realidad estaban compuestos por pequeñas partículas cargadas negativamente llamadas electrones . No solo eso, sino que estos electrones provienen del material del cátodo o de los gases residuales en la cámara de vacío. Entonces, solo tiene sentido que los átomos mismos deban contener electrones.

El protón

Es una regla en nuestro universo que las cosas cargadas tienden a no permanecer de esa manera: las baterías se agotan y la descarga estática que recibe al frotar un globo en su cabeza seguramente se perderá para el primer transeúnte desprevenido. ¡Ay!

Por lo tanto, sirve para razonar que los átomos en la naturaleza intentan ser neutrales si es posible. Pero, ¿cómo puede ser esto, si los átomos solo contienen electrones cargados negativamente? La respuesta es que deben tener carga positiva para neutralizar los electrones negativos. El científico Ernest Rutherford tiene el mérito de haber descubierto que el centro del átomo, llamado núcleo , alberga esta carga positiva en forma de partículas llamadas protones .

El neutrón

La explicación de que los átomos sean neutrales fue satisfactoria. Sin embargo, los científicos habían descubierto que algunas muestras de elementos tenían masas diferentes a otras que provenían de una fuente diferente, aunque su reactividad química era idéntica. Para ser coherente con la teoría atómica, la única explicación es que los elementos también tienen partículas neutras llamadas neutrones , que también se encuentran en el núcleo del átomo. Los átomos de un elemento dado pueden tener diferentes números de neutrones. Se necesitaron algunas décadas más para que los experimentos probaran la existencia de neutrones.

¿Las partículas se vuelven más pequeñas? ¿Podemos verlos?

Los protones y neutrones están compuestos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks, que conocemos gracias a experimentos modernos de física de alta energía. Los electrones se denominan partículas fundamentales porque no están formados por partículas más pequeñas.

Algunos microscopios modernos pueden en realidad obtener imágenes de átomos dentro de una molécula, lo que demuestra su existencia, ¡unos miles de años después de que fueran propuestos por los griegos! Sin embargo, no podemos obtener imágenes de protones, neutrones y partículas más pequeñas, en gran parte debido a las propiedades cuánticas de estas partículas muy pequeñas.

¿Hay más elementos?

Actualmente hay 118 elementos en la tabla periódica, cada uno con un cierto número de protones y el mismo número de electrones.

Los elementos muy pesados ​​con números atómicos cercanos o superiores a ~ 100 tienden a no ser estables durante períodos de tiempo más largos. Muchos de ellos solo se pueden sintetizar en el laboratorio y no se han encontrado en la naturaleza. Es probable que los elementos adicionales que descubramos solo tengan una existencia fugaz antes de descomponerse en elementos más pequeños.

Química en el Cosmos

Armados con tecnología moderna y teorías atómicas sólidas para respaldarlos, los científicos han extendido nuestro conocimiento químico en la tierra para comprender mejor la química lejos de la tierra.

Podemos ver las características » firmas químicas » de los elementos debido a su interacción con la radiación electromagnética . La radiación electromagnética es la combinación de campos eléctricos y magnéticos que forman el flujo constante de luz que llega a través de una bombilla cuando se activa el interruptor. Cuando la radiación electromagnética excita los electrones en los átomos, los electrones eventualmente «se calman» a medida que descargan su exceso de energía en forma de luz.

La firma de un elemento o molécula es visible como un conjunto distinto de líneas de colores que se pueden ver con un espectrómetro (un dispositivo que separa las longitudes de onda de la luz en líneas separadas), aunque no podemos recolectar físicamente muestras de esos químicos. No es difícil verificar que la luz que estamos viendo de una estrella es helio, por ejemplo, si simplemente confirmamos que la emisión de luz de una muestra de helio aquí en la Tierra es exactamente la misma.

Otros elementos emiten otros conjuntos únicos de líneas en varias longitudes de onda, muchas de las cuales pueden no ser visibles a simple vista, pero pueden visualizarse con el tipo de detector adecuado. La información que recopilamos de las estrellas, incluso a años luz de distancia, de alguna manera implica la medición de la radiación electromagnética.

Resumen de la lección

Los átomos están compuestos por electrones cargados negativamente y un núcleo central que alberga protones cargados positivamente y neutrones neutros . Sabemos que estas partículas existen debido a las relaciones definidas en las que se combinan los elementos, las propiedades de los electrones en forma de partículas y experimentos adicionales que explican por qué todos los átomos de un elemento deben tener una carga neutra general, pero pueden tener un número variable de neutrones. De estos tres, solo el electrón es una partícula fundamental .

Muchos elementos son lo suficientemente estables para ser medidos, pero muchos solo se pueden sintetizar en el laboratorio.

La interacción de átomos y moléculas con radiación electromagnética es una herramienta poderosa para comprender la química fuera de la Tierra. Las firmas químicas distintas de elementos y moléculas nos dicen qué especies químicas están presentes en los cuerpos galácticos que pueden estar a muchos años luz de distancia.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador