cardenas el atomo y su representacion
TRANSCRIPT
¿CÓMO REPRESENTAMOS EL ÁTOMO?
Q. José Mariano Cárdenas Méndez
Marzo de 2015
Versión de prueba
¿CÓMO REPRESENTAMOS EL ÁTOMO? Q. José Mariano Cárdenas Méndez
A. Lo que sí podemos percibir
Somos capaces de ver muchas cosas del mundo, pero no solamente su forma sino a veces también su estado de
agregación y otras características como su color, su brillantez, su dureza, etc. No obstante hay otros objetos o
características de éstos que no alcanzamos a ver o a percibir.
2 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
A simple vista podemos distinguir los objetos sólidos de las sustancias líquidas. A veces es un poco más
difícil ver los gases, sin embargo, cuando sale vapor del agua que se pone a hervir para cocinar o cuando el
cigarro o el escape de los automóviles desprende humo podemos notar la presencia de esos gases, aunque
sea por un instante. No obstante hay otras formas de percibir que ciertos gases están presentes, por
ejemplo, cuando el viento sopla sentimos su fuerza y su temperatura o cuando se escapa el gas de las
estufas percibimos su aroma peculiar.
Percibiendo lo imperceptible
En los trabajos de minería muchas veces se
requiere excavar túneles y galerías. En las
profundidades de la tierra, no siempre hay el
oxígeno suficiente para que una persona pueda
respirar de manera normal. En otras, hay
presencia de gases inodoros que son nocivos para
la salud. Antiguamente, como no había forma de que el
ser humano con sus sentidos pudiera percibir
estos gases, los mineros llevaban un canario
enjaulado con ellos. Si el canario se asfixiaba,
esto les indicaba a los mineros que no había
suficiente oxígeno o que se estaban escapando
los gases y que debían abandonar la mina
inmediatamente.
Los cuatro elementos
Hace más de dos mil años,
en la Antigua Grecia, había
pensadores que se
preguntaban cómo estaba
hecho nuestro mundo. Se
piensa que el filósofo griego
Empédocles (492 a.C. – 432
a.C.) fue quien propuso que
los objetos del mundo
tienen cuatro raíces: el
fuego, el aire, el agua y la
tierra.
Este filósofo decía que el amor mantiene unida la
materia y que el odio propicia que se separe.
Posteriormente Platón (428 a.C. – 348 a. C.), le
dio el nombre de «elementos» a las cuatro raíces
de Empédocles. Por su parte Aristóteles también
adoptó la doctrina de los cuatro elementos, y
además enunció las características o cualidades
de estos elementos: caliente, frío, húmedo y
seco. Cada uno de estos elementos poseía dos de
estas cualidades:
Elemento Cualidades
Fuego Caliente y seco
Aire Caliente y húmedo
Agua Fría y húmeda
Tierra Fría y seca
3 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
La teoría de Aristóteles de los cuatro elementos fue aceptada y difundida durante varios siglos. Incluso
fue la base para nuevas doctrinas sobre la estructura de la materia y sus transformaciones.
B. Lo que no podemos ver
De igual forma, en la Antigua Grecia, dos filósofos
llamados Leucipo de Mileto (siglo V a.C.) y
Demócrito de Abdera (ca. 460 a.C – 370 a.C.),
concibieron la materia de una forma diferente de
la escuela aristotélica. Demócrito pensaba que si se
divide un objeto y se continúa dividiendo una y otra
vez, llegará un momento en el que los fragmentos
no puedan cortarse más. Estos fragmentos
indivisibles fueron llamados átomos. Los átomos
eran, según los partidarios de esta forma de
pensar, los “ingredientes” de la materia, como los
ladrillos de un edificio.
Una cuestión con los átomos de Leucipo y de Demócrito es que nadie los podía percibir ni ver y no dejaban
de ser algo hipotético. En cambio los cuatro elementos aristotélicos (fuego, aire, agua y tierra), se
perciben fácilmente.
4 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
La teoría de los átomos fue retomada hasta varios siglos después por diferentes pensadores. A lo largo
de la historia, los átomos recibieron diferentes nombres como gérmenes primordiales, corpúsculos,
partes, cuerpos simples, principios, etc.
Algunos de los pensadores y filósofos que concibieron que la materia está constituida por partículas muy
pequeñas o elementales fueron los siguientes:
Autor Lo que dijo…
Lucrecio (98 a.C. – 95 a.C.)
Los cuerpos son o gérmenes primordiales de las cosas o
conjuntos derivados de los gérmenes primordiales. No hay
fuerza capaz de destruir a los cuerpos que son gérmenes
primordiales.
Daniel Sennert (1572 – 1637)
Existen mezclas heterogéneas (como agua con vino o una
aleación de oro y plata) y mezclas de un solo componente.
Tales mezclas son corpusculares y sus propiedades son
fundamentales, sin embargo se componen de partes más
pequeñas llamadas minima naturalia.
Pierre Gassendi (1592 – 1655)
Los sólidos se mantienen consistentes gracias a unas semillas
que unen a los corpúsculos o átomos entre sí para formar
masas de forma definida. Los átomos se mueven en el vacío y
su tamaño y forma es lo que le da sus propiedades a la
materia.
René Descartes (1596 – 1650)
Todos los cuerpos, tanto duros como líquidos están hechos de
una misma materia. Considero una sola parte todo aquello que
está bien unido y que no está a punto de separarse, pues
hasta las partes que tienen un mínimo de tamaño pueden
separarse en otras más pequeñas.
Isaac Newton (1642 – 1727)
Me parece probable que Dios, en el comienzo, creó partículas
de materia sólidas, macizas, duras, impenetrables y móviles
de diversos tamaños y formas, con diferentes propiedades y
distintas proporciones en el espacio. Su dureza es tal, que
nunca se desgastan ni se rompen en pedazos.
Robert Boyle (1627 – 1691)
Los elementos son ciertos cuerpos primitivos y simples que no
están formados por otros cuerpos y son los ingredientes de
que se componen los cuerpos perfectamente mixtos.
Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)
Aplicamos el nombre de elementos o principios de los cuerpos
a todas las sustancias que no hemos podido descomponer por
ningún medio, y no debemos suponerlos compuestos hasta que
nos lo prueben la experiencia y la observación.
5 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
A principios del siglo XIX, el químico inglés John
Dalton (1766-1844), propuso una teoría atómica.
Dalton estableció que cada elemento está hecho de
partículas diminutas e indivisibles denominadas
átomos. Todos los átomos de un elemento son iguales,
pero diferentes de los átomos de otro elemento.
Uno de los tantos aspectos innovadores de la teoría de Dalton fue la representación gráfica de los
átomos. A cada tipo de átomo le asignó un símbolo diferente.
Estas representaciones de Dalton, expresaban
que los átomos de los diversos elementos eran
diferentes entre sí. Hasta donde se sabe, en
ningún texto de química se había dibujado un
átomo, hasta que Dalton lo hizo.
En su teoría, Dalton hizo hincapié en la
diferencia entre átomo y elemento. Un átomo se
refiere a una sola partícula, es decir, aislada de
otras partículas ya sean iguales o diferentes. En
cambio un elemento es un conjunto de átomos
iguales.
Además Dalton dio una definición de lo que ahora
llamamos molécula (Dalton le dio el nombre de
elemento compuesto), es decir, la combinación de
dos o más átomos. Una sustancia compuesta son
grupos de varias moléculas del mismo tipo.
Un conjunto de sustancias o moléculas de
diferente tipo se define como mezcla.
6 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
Imaginando el micromundo
John Dalton, al igual que varios pensadores de tiempos
anteriores, creía en la existencia de los átomos aunque no los
pudiera ver. Él imaginó que los átomos tenían la forma de
bolas de billar. Además quizá haya sido Dalton el primer
químico que dibujó un átomo. Actualmente aún se emplean
esferas para modelar los átomos. Dalton publicó su modelo
atómico en el año de 1808.
C. Electricidad
Unos cincuenta años antes de que Dalton propusiera su teoría atómica,
el científico estadounidense Benjamín Franklin (1706 – 1790), hizo
experimentos con la electricidad y distinguió dos tipos: la positiva y la
negativa. Franklin estableció que las cargas positivas se repelen entre sí,
asimismo, las negativas repelen a las negativas. Pero las cargas positivas
y negativas se atraen y se cancelan mutuamente.
Normalmente la materia es neutra, es decir, la cantidad de cargas positivas es igual a la de cargas
negativas y esto neutraliza las cargas en los objetos.
7 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
Sin embargo las cargas negativas pueden fluir de una sustancia a otra generando un desequilibrio entre
las cargas. De esta forma se puede tener un exceso de cargas negativas por un lado y un exceso de
positivas por otro. Pero debido a la atracción mutua entre las cargas, las cargas negativas pueden fluir
hacia el exceso de cargas positivas generando una pequeña descarga eléctrica.
Desde mediados del siglo XVIII la electricidad era tema de interés de físicos y químicos. Se sabía que
había materiales que conducían la electricidad, como los metales, y otros que no la conducían, como el
vidrio y los gases.
De hecho generar un poco de carga eléctrica es
algo muy sencillo. Sólo basta peinarse con un peine
de plástico o frotar una varilla de caucho sobre la
piel de algún animal.
Incluso se puede hacer un experimento. Si se
frotan dos varillas de caucho con la piel da algún
animal y una de ellas se cuelga; al acercar ambas
varillas éstas se repelen entre sí.
En cambio, si se frota una varilla de plástico con
seda y se acerca a la varilla de caucho colgante,
entonces éstas se atraen.
Este experimento nos
permite aprender que:
1. Existen dos tipos de
carga eléctrica
2. Las cargas que son
iguales se repelen
3. Las cargas que son
diferentes se atraen
8 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
Respecto de la electricidad y su relación con la materia, algunos científicos a finales del siglo XVIII y
durante el siglo XIX, hicieron algunos descubrimientos:
Luigi Galvani (1737-1798), puso en evidencia que la materia conduce la electricidad.
Alessandro Volta (1745-1827), demostró que la materia genera electricidad.
Humphry Davy (1778-1829), llevó a cabo transformaciones en la materia mediante la electrólisis.
No obstante, aún quedaba la pregunta que de cómo se producía o de dónde salía la electricidad que
generaba la materia.
Aun cuando no se sabía exactamente cuál era la relación entre la materia y las cargas eléctricas, se
hacían experimentos con la electricidad para aprovechar sus ventajas. Hacia 1880 ya se empezaba a
emplear en Europa para el alumbrado de las ciudades.
9 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
D. No lo vemos pero lo podemos imaginar
En el año de 1897, un físico inglés llamado John
Joseph Thomson (1856-1940), descubrió con la
ayuda de un tubo de rayos catódicos una partícula
con carga eléctrica a la que identificó como el
electrón. El electrón no solamente poseía carga
eléctrica sino que además tenía masa. Después del
descubrimiento del electrón, en 1904, Thomson
propuso un modelo atómico, que consistía en una
esfera con carga positiva dentro de la cual se
encontraban inmersas las partículas con carga
negativa, es decir los electrones, en la superficie. A este modelo se le conoce como Budín de Pasas
Pero, ¿los electrones están acomodados aleatoriamente y al azar sobre la esfera?
Thomson corrigió el modelo original del budín de pasas y propuso que los electrones están ordenados de
manera regular formando figuras geométricas definidas. Los átomos de Thomson para los seis primeros
átomos son los siguientes:
Hidrógeno Helio Litio Berilio Boro Carbono
En 1911, un físico neozelandés
llamado Ernest Rutherford (1871-
1937), propuso un nuevo modelo
atómico. Para Rutherford, la mayor
parte de la masa del átomo y la
carga positiva se encontraban en su
centro, es decir el núcleo del átomo.
En este modelo los electrones se
encontraban girando alrededor de
este núcleo, como los planetas
alrededor del Sol.
10 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
El modelo de Rutherford fue un avance en cuanto al
conocimiento de la estructura del átomo, pues propuso la
existencia del núcleo atómico. Sin embargo también se
sabía que si el electrón se encontraba girando en círculos
alrededor del núcleo, entonces iría perdiendo su energía,
lo que provocaría que tuviera una trayectoria en espiral y
que en algún momento chocaría con el núcleo destruyendo
al átomo y la materia. No obstante la materia sí existe.
En 1913, el físico danés Niels Bohr propuso su propio
modelo atómico. Bohr estableció que los electrones
giran en órbitas bien definidas alrededor del núcleo.
Cada órbita puede contener un número máximo de
electrones. Los electrones al estar girando en
determinada órbita no pierden energía y por esa
razón no chocan con el núcleo. El nivel de menor
energía es el primero y conforme las órbitas se
alejan del núcleo, la energía va en aumento. Por
ejemplo, en electrón en el segundo nivel tendrá
mayor energía que en el primero. Este modelo de
Bohr concuerda mejor con la evidencia experimental
que el de Rutherford.
11 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
Las órbitas, en el modelo de Bohr, son niveles de energía. Al igual que los planetas en el Sistema Solar, los
electrones pueden permanecer en su órbita, sin embargo si un electrón cambia de órbita es necesario que
absorba o que emita energía. Las cantidades de energía que emite o absorbe el electrón al cambiar de una
órbita a otra son cantidades exactas, que no podrían ser mayores ni menores. Con esto Bohr estableció
que las cantidades de energía que se absorben o se emiten están cuantificadas, es decir, que sólo se
permiten ciertos valores bien definidos. Por esta razón el modelo atómico de Bohr es un modelo cuántico.
Si el electrón se encuentra en una
determinada órbita y cambia a una órbita
más cercana al núcleo, entonces emite
energía para que ésta disminuya. En cambio
si cambia a una órbita más alejada necesita
absorber energía para que ésta aumente.
“Esta clase es muy aburrida”
“El aburrido mundo de Niels Bohr”
12 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld
(1868-1951), propuso un modelo atómico en el que
las órbitas son elípticas. De acuerdo con este
modelo, conforme el electrón se acercaba al núcleo
debía girar de manera más rápida para no chocar
con éste.
E. El retrato del átomo
La representación de un átomo con órbitas elípticas es una imagen muy común en nuestra cultura. Muchas
veces se utiliza como símbolo para representar “la ciencia”, así como el engrane se utiliza para
representar “la tecnología”. En algunos murales de la Ciudad de México, podemos encontrar el símbolo del
átomo:
Detalle del mural “La conquista de la
energía” de José Chávez Morado en la
antigua Facultad de Ciencias, C.U.
Mural realizado por los estudiantes
en paro en 1999 en la Facultad de
Filosofía y Letras. Éste y otros
murales fueron borrados en el año
2000.
Detalle del mural “La Ciencia”
de Daniel Manrique en López
Rayón y Av. Anillo de
Circunvalación en Tepito.
No obstante, los modelos atómicos de Bohr y de
Sommerfeld no fueron modelos definitivos.
Posteriormente se propusieron otros modelos
atómicos. Uno de ellos fue el modelo del físico
austriaco Erwin Schroedinger (1887-1961), el cual
consiste en una ecuación matemática. Para el
modelo del átomo de Schroedinger no es necesario
hacer una representación gráfica o un dibujo del
átomo, basta con la ecuación.
13 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
F. Bibliografía
La información de este documento fue obtenida de las siguientes fuentes:
Benítez, Laura. El mundo en René Descartes. México,
UNAM, 1993.
Capra, F. El punto crucial. Ciencia, sociedad y cultura
naciente. Buenos Aires, Troquel, 1998.
Cruz-Garritz D., Chamizo J.A. y Garritz A. Estructura
atómica. Un enfoque químico. México, Sistemas
Técnicos de Edición, 1986.
Esteban Santos, Soledad. La historia del Sistema
Periódico. Madrid, UNED, 2009.
Gaukroger, Stephen. The emergence of a scientific
culture: science and the shaping of modernity, 1210-
1685. Oxford, Clarendon, 2006.
Gómez Crespo, Miguel Ángel. Aprendizaje e
instrucción en química: el cambio de las
representaciones de los estudiantes sobre la materia.
Tesis Doctoral. Universidad Autónoma de Madrid,
2005.
Karapetiants M.J. y Drakin S.I. Estructura de la
Sustancia. Moscú, Mir, 1979.
Noyola Isgleas, Arturo. Antología de Física. México,
UNAM, 1971 (Lecturas Universitarias No. 9).
14 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
G. Cuestionario
Responde correctamente las siguientes preguntas. En los casos que lo necesites utiliza hojas aparte.
1. Explica con tus propias palabras qué es un modelo atómico.
2. A lo largo de la historia la idea de átomo ha recibido diferentes denominaciones, menciona tres de
éstas.
3. De los modelos atómicos mencionados (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Sommerfeld y
Schroedinger), cuál de ellos consideras que se asemeja más a un átomo de la realidad. Explica por qué.
4. Construye tu propio modelo atómico original.
5. ¿Cuál será la importancia de determinar cómo es la estructura del átomo?
6. ¿Por qué crees que prevaleció la teoría de los cuatro elementos sobre las teorías atomistas durante
varios siglos?
7. ¿Cuáles fueron las principales aportaciones de John Dalton?
8. En la lista de elementos de Dalton hay nombres de elementos que no se incluyen en la Tabla Periódica
actual. A qué elementos de la Tabla Periódica corresponden los siguientes elementos de John Dalton.
a) Azoe
b) Baritina
c) Estronciana
d) Alúmina
e) Sílex
f) Potasa
9. En la siguiente mezcla hay ocho sustancias diferentes, identifícalas en términos de la nomenclatura
actual
Opciones
Hidrógeno
Dióxido de carbono
Amoniaco
Nitrógeno
Monóxido de dinitrógeno
Oxígeno
Agua
Dióxido de azufre
Respuestas
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
10. Explica con tus propias palabras la diferencia entre átomo y elemento.
11. Explica con tus propias palabras la diferencia entre molécula y compuesto
12. Da una definición de mezcla
15 ¿Cómo representamos el átomo? Prof. José M. Cárdenas
13. Une con líneas cada imagen con la palabra que le corresponde cubriendo todo el tablero. Las líneas no
pueden cruzarse (de preferencia utiliza un color distinto para cada línea)
Átomo
Compuesto
Elemento
Mezcla
Molécula
14. Representa las siguientes moléculas mediante el modelo de Dalton: monóxido de carbono, dióxido de
nitrógeno, ácido sulfhídrico, ácido sulfúrico, óxido de potasio, glucosa y óxido de magnesio.
15. ¿Cuáles fueron las aportaciones de John Joseph Thomson?
16. ¿Cuáles fueron las aportaciones de Ernest Rutherford?
17. ¿Cuáles fueron las aportaciones de Niels Bohr?
18. Explica con tus propias palabras por qué el modelo atómico de Bohr se conoce como modelo cuántico.
19. Explica la diferencia entre los enunciados:“La materia conduce la electricidad” y “La materia genera la
electricidad”.
20. Investiga un concepto de “electricidad”.
21. Completa la frase inconclusa “Después de todo el átomo es tan pequeño que…”.
22. Elabora una línea de tiempo en la que se muestre la evolución del concepto de átomo en la historia.