La materia consiste de partículas extremadamente pequeñas
agrupadas juntas para formar el átomo. Hay una
90 ocurrencias naturales de estas agrupaciones de partículas llamadas
elementos.
Estos elementos fueron agrupados en la tabla periódica de
los elementos en secuencia de acuerdo a sus números atómicos y peso atómico.
Hay además 23 elementos hechos por el hombre que no ocurren en la naturaleza,
por lo que al final son unos 113 elementos conocidos hasta la fecha. Estos
elementos no pueden cambiarse por procesos químicos. Ellos solo pueden ser
cambiados por reacción nuclear o atómica, sin embargo pueden ser combinados
para producir el incontable número de compuestos con los que tropezamos día a
día.
Estructura del átomo
Un átomo puede ser representado simbólicamente en un modelo
que recrea nuestro sistema solar, el cual tiene en el centro el sol y los
planetas girando en órbitas alrededor de él.
Este modelo atómico, representado en la figura 1 fue
propuesto por el físico Danés, Niels Bohr en 1913. Los mecanismos cuánticos
actuales han demostrado que este modelo no es exactamente correcto, pero sigue
siendo útil para la visualización de átomo.
El centro del átomo se llama núcleo y está principalmente
formado por las partículas llamadas Protones y Neutrones, los que constituyen
la mayoría de la masa del átomo. Orbitando alrededor del los núcleos están
pequeñas partículas llamadas electrones. Estos electrones tienen una masa
muchas veces mas pequeña que el Protón y el Neutrón. Hay otras partículas
sub-atómicas estudiadas por los físicos atómicos, pero estas tres son
suficientes para nuestro propósito.
Figura 1.
Todos los elementos de la tabla periódica están formados por
las tres partículas con la sola excepción del Hidrógeno que tiene un núcleo
formado por un protón simple, alrededor del cual gira orbitando un electrón. El
protón y el neutrón tienen una masa de alrededor de 1840 veces la masa del
electrón.
Número y peso atómicos
Los elementos se identifican por su número y masa atómicos.
Normalmente, un átomo tiene igual número de protones en su núcleo que de
electrones girando alrededor de él. El número de protones del núcleo constituye
el número atómico del elemento. De manera simplificada la masa atómica de un
elemento es numéricamente igual al total de partículas mayores (protones y
neutrones) en el núcleo.
Uno de los primeros elementos estudiados por los científicos
fue el oxígeno. Después de la investigación, en el núcleo del oxígeno se
encontraron 8 protones y 8 neutrones, por lo que le fueron asignados 16 como
peso atómico y 8 como número atómico.
Niveles y sub-niveles
Como se muestra en la figura 2 los electrones que giran
alrededor del núcleo los hacen agrupados en anillos u órbitas. Esas órbitas se
tratan como niveles de energía los que a su vez contienen además sub-niveles.
Cada nivel y sub-nivel de energía dependiendo de la distancia al núcleo contiene
un cierto número máximo de electrones que no puede excederse. El primer nivel
puede tener 2 electrones, el segundo 8 (2 en el primer sub-nivel y 6 en el
segundo), el tercero puede contener 18 (2, 6, 10), el cuarto puede contener 32
(2, 6, 10, 14), etc.
Figura 2.
El último nivel de energía de un átomo se llama nivel de
valencia y puede estar lleno con el número máximo de electrones permitidos o
tener electrones en defecto.
Como este último nivel de energía está incompleto puede
aceptar o ceder alguno de los electrones a otro átomo de otro elemento que
cumpla la misma condición y así formar uniones de átomos diferentes que
comparten uno o mas electrones. Este enlace de átomos constituye la base de la
comprensión de las reacciones químicas para formar sustancias complejas a
partir de elementos simples. Cuando el último nivel está completo el átomo no
puede compartir electrones siendo una sustancia muy estable y que no forma
compuestos con otros elementos en condiciones normales, estas sustancias son
los llamados gases nobles, Helio Argón Xenón etc.
La figura 3 representa el elemento aluminio, en el gráfico
puede observarse que tiene tres electrones en el último nivel, estos electrones
pueden ser compartidos con otro elemento por lo que la valencia del aluminio es
3.
Figura 3.
Carga eléctrica
Los protones y electrones ejercen fuerzas mutuas entre
ellos, mas o menos como si existiera una fuerza gravitacional entre ellos, por
lo que se ha supuesto que las masas de estas partículas son portadoras de
cierta carga eléctrica y que la fuerza de interacción entre ellas es entonces
una fuerza eléctrica.
En la práctica estas fuerza eléctricas son de atracción
entre partículas de naturaleza diferente (protones y electrones) y de repulsión
entre las partículas de la misma naturaleza al igual que los polos de un imán,
esto hace pensar en cargas de diferente naturaleza las que han sido
convencionalmente denominadas positiva (+) para el protón y negativa (-) para
el electrón.
Se ha demostrado además que la magnitud de las cargas de las
partículas con independencia de la enorme diferencia de masa son iguales, por
lo que el átomo normal (misma cantidad de protones y electrones) es una entidad
neutra eléctricamente hablando. Esta carga de las partículas elementales es la
menor cantidad de carga eléctrica que puede existir por lo que se ha convenido
en denominar carga elemental.
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