L'Àtom: Models, Estructura i Propietats Fonamentals
1. La Teoria Atòmica de Dalton
En 1808, Dalton va agafar les idees dels grecs i les va desenvolupar seguint la teoria de la qual podem destacar les següents definicions:
- La matèria està constituïda per àtoms.
- Un element és una substància que està formada per àtoms iguals.
- Un compost és una substància que està formada per àtoms diferents en una relació constant.
2. L'Àtom és Divisible
Al contrari del que pensaven els grecs, l'àtom encara el podem dividir en partícules més petites, és a dir, està format per partícules elementals.
2.1. Naturalesa Elèctrica de la Matèria
Amb experiments senzills podem comprovar com certs materials, quan es freguen, causen fenòmens d'atracció i repulsió. Aquests fenòmens tenen la seva explicació en les càrregues elèctriques de la matèria, que pot ser negativa o positiva. Dos cossos que hagin adquirit una càrrega del mateix tipus es separen, mentre que si tenen càrrega de diferent tipus s'atrauen. La majoria de la matèria és elèctricament neutra.
2.2. Electrons i Protons
Estudis fets a principis del segle XX van permetre identificar les partícules que, dins de l'àtom, eren les responsables de la càrrega negativa i positiva. Els electrons són partícules amb càrrega negativa i els protons amb càrrega positiva. Per tant, l'excés o deficiència d'electrons que tingui un cos és responsable que la seva càrrega sigui positiva o negativa.
3. Models Atòmics
Després d'experiments i de diferents models que intentaven explicar la distribució d'aquestes partícules, Rutherford va arribar a unes conclusions encertades basades en un àtom nuclear segons el seu model:
- L'àtom té un nucli central on està concentrada la càrrega positiva i pràcticament tota la massa.
- La càrrega positiva dels protons és compensada amb la càrrega negativa dels electrons que estan fora del nucli.
- El nucli conté, per tant, protons en un nombre igual al d'electrons de l'àtom.
- Els electrons giren a molta velocitat al voltant del nucli i estan separats d'aquest per una gran distància.
3.1. Els Neutrons
En aquest model hi havia un problema, i era que la massa de protons i electrons per si sola no coincidia. Per tant, es va suposar que existien altres partícules sense càrrega elèctrica que anomenaren, com a conseqüència, neutrons.
3.2. Estructura de l'Àtom
Com a resultat, l'àtom va quedar constituït de la següent forma:
- Una zona central o nucli amb càrrega positiva (protons) i amb la majoria de la massa dels àtoms (protons + neutrons). El nombre de neutrons és variable, per tant, la massa de l'àtom pot variar.
- Una zona externa o escorça on es troben els electrons que giren al voltant del nucli i que són iguals en nombre als protons, per la qual cosa el conjunt de l'àtom és elèctricament neutre.
4. Identificació dels Àtoms
4.1. Nombre Atòmic (Z)
Els àtoms els podem identificar gràcies al nombre de protons que tingui el nucli. Aquest nombre és fix per a cada element, s'anomena nombre atòmic i es representa amb la lletra Z. Z = nombre atòmic = nombre de protons. Aquest nombre coincideix amb la posició de l'element en la taula periòdica i es representa mitjançant un subíndex que posarem davant i sota de l'element que representa. Exemple: Carboni (C) = 6 protons.
4.2. Nombre Màssic (A)
El nombre de protons i neutrons és el nombre màssic i representa quasi la totalitat de la massa de l'àtom, ja que els electrons que estan a l'escorça quasi no tenen massa. A = nombre màssic = protons + neutrons. Aquest nombre coincideix amb l'altre número que hi ha en els elements de la taula periòdica i es representa amb un superíndex que posarem davant i dalt dels elements que representa.
4.3. Nombre de Neutrons (N)
Fàcilment podem deduir que el nombre de neutrons d'un element serà la diferència entre el seu nombre màssic i el nombre atòmic. Si A = nombre màssic = protons + neutrons, i Z = nombre de protons, llavors N = A - Z. A més, podem deduir que si l'àtom és elèctricament neutre, tindrà el mateix nombre d'electrons que de protons.
4.4. Isòtops
Al començament del segle XX es va descobrir que no tots els àtoms d'un mateix element tenien la mateixa massa i, per tant, diferent nombre màssic (A). Això és degut al fet que els àtoms d'un mateix element, encara que mantenen fix el nombre de protons, el nombre de neutrons pot variar. Cadascun d'aquests àtoms amb diferent massa i neutres s'anomenen isòtops. Un exemple és l'hidrogen, l'únic element que, a més de tenir 3 isòtops, aquests reben un nom particular.
5. Massa Atòmica Relativa
Ja sabem que no tots els àtoms d'un mateix element són iguals perquè, com hem vist, pot variar el nombre de neutrons i també les seves proporcions. Per a indicar una massa mitjana de cada element, cal definir la massa atòmica relativa mitjana, que expressa la massa mitjana de tots els isòtops de cada element. Per a calcular-la, hem de saber el percentatge de cada isòtop a la natura.
5.1. Unitat de Massa Atòmica (uma)
Com que la unitat de massa del sistema internacional, el quilogram, és massa gran, s'ha buscat una unitat de referència per a expressar la massa d'un àtom. S'ha triat com a referència la massa de la dotzena part de l'àtom de carboni-12 (que té 6 neutrons i 6 protons), i la seva dotzena part equival a una unitat de massa atòmica (uma).
5.1.1. Relació amb la Massa Atòmica Relativa
Per tant, sempre que mesurem la massa atòmica relativa d'un element, el resultat que obtenim són unitats de massa atòmica (uma). És a dir, sabent les vegades que un àtom d'un element és més pesat que la dotzena part de l'àtom de carboni-12, per exemple.
6. El Model Atòmic de Bohr i les Configuracions Electròniques
L'últim model proposat per explicar l'estructura de l'àtom és el model de Bohr, que el va formular a partir de les teories anteriors i de noves que anaven sorgint. Les principals són:
- Al voltant del nucli hi ha diferents òrbites singulars, on els electrons es desplacen a molta velocitat sense emetre energia.
- L'electró en cada òrbita té una energia determinada, més gran com més allunyada del nucli estigui l'òrbita.
- Si un àtom és alterat per l'impacte d'un electró o un altre àtom, els seus electrons poden passar a una òrbita d'energia superior i fins i tot ser arrancats de l'àtom.
6.1. Configuració i Distribució Electròniques
El model de Bohr estableix que hi ha diferents òrbites a l'àtom, però en aquestes els electrons no es disposen com volen; hi ha certes limitacions:
- La primera òrbita o nivell és denominada K i només pot contenir 2 electrons.
- En la segona òrbita o nivell (L) caben 8 electrons.
- La tercera òrbita és denominada M i, encara que hi caben 18 electrons, a partir de 8, la següent òrbita (N) comença a omplir-se.